热辐射与辐射换热.pptx

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1、梁秀俊梁秀俊高等传热学一、一些基本概念一、一些基本概念可见光的波长范围：0.380.76m第1页/共66页梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学1 1、吸收、反射和透射、吸收、反射和透射 投射辐射周围物体在单位时间内投射到物体单位表面积上的辐射能。用G表示，单位W/m2。吸吸收收比比反反射射比比穿穿透透比比第2页/共66页梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学 视物体表面状况（平整程度）和投入辐射的波视物体表面状况（平整程度）和投入辐射的波长，表面的反射又分为镜反射和漫反射。长，表面的反射又分为镜反射和漫反射。漫反射是把来自任意方向、任意波长的投入辐射以漫反射是把来自任意方向、任意波长的投入辐射以均匀的强

2、度（不是均匀的强度（不是“能量能量”）反射到半球空间所有方）反射到半球空间所有方向上去。向上去。(a)镜反射(b)漫反射注：除了经特殊处理的金属表面，大部分工程材料注：除了经特殊处理的金属表面，大部分工程材料均可视为漫射表面。均可视为漫射表面。第3页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学2 2、特殊辐射体、特殊辐射体 吸收比吸收比 =1=1的物体称为黑体。的物体称为黑体。反射比反射比 =1=1的物体称为白体（或镜体）。的物体称为白体（或镜体）。透射比透射比 =1=1的物体称之为透明体。的物体称之为透明体。例如，煤炭的吸收比达到例如，煤炭的吸收比达到0.960.96，磨光的金子反射比几

3、，磨光的金子反射比几乎等于乎等于0.980.98，而常温下空气对热射线呈现透明的性质。，而常温下空气对热射线呈现透明的性质。第4页/共66页梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学辐射力E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间所有方向辐射出去的全部波长的能量总和。W/m2从总体上表征物体发射辐射能本领的大小。3 3、辐射能力、辐射能力光谱辐射力:在单位时间内物体单位面积上向半球空间所有方向发射的从到+d波长的辐射能称为光谱辐射力，用E表示，单位为W/m3。第5页/共66页梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学定向辐射强度定向辐射强度:单位可见面积发射出去的落在空间任意单位可见面积发射出去的落在空间任意方向

4、的单位立体角中的能量。方向的单位立体角中的能量。第6页/共66页梁秀俊梁秀俊高等传热学二、黑体辐射二、黑体辐射辐射力辐射力不同方向？不同方向？不同波长？不同波长？普朗克定律普朗克定律四次方定律四次方定律兰贝特定律兰贝特定律 吸收比吸收比 =1=1的物体称为黑体。的物体称为黑体。黑体还应具有什么性质？黑体还应具有什么性质？黑体辐射具有什么特性？黑体辐射具有什么特性？第7页/共66页梁秀俊梁秀俊高等传热学二、黑体辐射二、黑体辐射1 1、普朗克定律、普朗克定律(1900)(1900)维恩Wien位移定律(1893)第8页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学【解】应用Wien位移定律T=2000K时

5、 max=2.910-3/2000=1.45 mT=5800K时 max=2.910-3/5800=0.50 m常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区【例】试分别计算温度为2000K和5800K的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长。第9页/共66页梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学2 2、斯忒藩、斯忒藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 黑体辐射的辐射力与温度的关系遵循斯忒藩黑体辐射的辐射力与温度的关系遵循斯忒藩-波波尔兹曼定律：尔兹曼定律：普朗克定律与Stefan-Boltzmann定律的关系第10页/共66页特定波长区段内的黑体辐射力特定波长区段内的黑体辐射力通常

6、把波段区间的辐通常把波段区间的辐射能表示为同温度下射能表示为同温度下黑体辐射力的百分数，黑体辐射力的百分数，记作，称作记作，称作黑黑体辐射函数体辐射函数。梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学第11页/共66页T/(mK)Fb(0-)/%T/(mK)Fb(0-)/%10001100120013001400150016001700180019002000220024002600280030000.03230.09160.2140.4340.7821.2901.9792.8623.9465.2256.69010.1114.0518.3422.8227.36650070007500800085009000

7、950010000120001400016000180002000022000240002600077.6680.8383.4685.6487.4789.0790.3291.4394.5196.2997.3898.0898.5698.8999.1299.30梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学第12页/共66页梁梁 秀秀 俊俊【例例】试求温度为试求温度为1400K和和6000K时的黑体辐射中可见光所时的黑体辐射中可见光所占的份额。占的份额。Fb(1-2)=Fb(0-2)-Fb(0-1)=0.07%。同同样样的的做做法法可可以以得得出出6000K的的黑黑体体在可见光范围所占的份额为在可见光范围所占的

8、份额为Fb(1-2)=Fb(0-2)-Fb(0-1)=57.3%-11.3%=46%。【解解】：可可见见光光的的波波长长范范围围是是从从0.38m到到0.76m，对对于于1400K的的黑黑体体其其T值值分分别别为为532和和1064。可可从从表表41查查得得Fb(0-1)和和Fb(0-2)分分别别为为60 60，()明显减少；明显减少；90 90，()降为降为0 0第23页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学影响物体发射率的因素f（物质的种类、表面状况、表面温度）只与发射物体有关，而不涉及外界条件。不同种类物质的：常温下白大理石0.95；常温下镀锌铁皮0.23同一物体不同温度：严重氧化的铝表

9、面50时0.2；500时0.3 同一材料，不同表面状况：a常温下无光泽黄铜0.22；磨光后的黄铜0.05 大部分非金属材料的发射率一般在0.850.95之间；且与表面状况关系不大，在缺乏资料时，可近似取为0.9。第24页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学材料类别和表面状况材料类别和表面状况温度温度/法向发射率法向发射率n具有光滑的氧化层表皮的钢板具有光滑的氧化层表皮的钢板200.82镀锌铁皮镀锌铁皮380.28严重氧化的铝表面严重氧化的铝表面500.2严重氧化的铝表面严重氧化的铝表面5000.3无光泽黄铜无光泽黄铜380.22磨光的黄铜磨光的黄铜380.05红砖红砖200.880.93玻璃

10、玻璃400.94各种颜色的油漆各种颜色的油漆400.920.96雪雪-1200.82人体皮肤人体皮肤320.98部分常见材料表面的法向发射率第25页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学 对应于黑体的辐射力对应于黑体的辐射力E Eb b，光谱辐射力，光谱辐射力E Eb b 和定向辐射强和定向辐射强度度L L，分别引入了三个修正系数，即发射率，分别引入了三个修正系数，即发射率，光谱发射，光谱发射率率()和定向发射率和定向发射率()，其，其表达式和物理意义表达式和物理意义如下如下实际物体的实际物体的辐射力辐射力与与黑体黑体辐射力辐射力之比之比:实际物体的实际物体的光谱辐射力光谱辐射力与与黑体的黑体

11、的光谱辐射力光谱辐射力之比：之比：实际物体的实际物体的定向辐射强度定向辐射强度与与黑体的黑体的定向辐射强度定向辐射强度之比：之比：第26页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学2 2、实际物体的吸收比、实际物体的吸收比实际物体的光谱吸收比实际物体的光谱吸收比第27页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面性质的温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标1、2分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体1的吸收比为第28页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的

12、关系 材料自身温度材料自身温度T T1 1为为294K294K第29页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学第30页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学温室大棚就是利用了玻璃对辐射能吸收的选择性温室大棚就是利用了玻璃对辐射能吸收的选择性第31页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学 实际物体的光谱吸收比对投入辐射的波长有选择性实际物体的光谱吸收比对投入辐射的波长有选择性这一情况给辐射换热的工程计算带来很多不便。这一情况给辐射换热的工程计算带来很多不便。3 3、灰体、灰体 光谱吸收比与波长无关的理想物体称为灰体。光谱吸收比与波长无关的理想物体称为灰体。在在红外线红外线的辐射

13、范围内大多数工程材料可以当作的辐射范围内大多数工程材料可以当作灰体处理。灰体处理。引入的意义引入的意义：不管投入辐射的分布如何，：不管投入辐射的分布如何，均为常数，均为常数，即物体的吸收比只取决于本身的情况而与外界情况无关。即物体的吸收比只取决于本身的情况而与外界情况无关。本课程的研究范围内，辐射传热计算假设表面为漫灰的。第32页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学4 4、基尔霍夫定律、基尔霍夫定律 基尔霍夫定律给出了实际物体辐射能力与吸收能力的关系。列出处于热平衡时，实际物体2的能量收支关系。但是，这个等式是有条件的。第33页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学基尔霍

14、夫定律的四种表达形式：无条件成立漫射表面灰体表面漫射灰体表面或与黑体处于热平衡第34页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学关于基尔霍夫定律和灰体的几点说明关于基尔霍夫定律和灰体的几点说明1 1、根据基尔霍夫定律，在一定条件下，物体的辐、根据基尔霍夫定律，在一定条件下，物体的辐射能力越大，其吸收能力也越大。换句话，善于辐射能力越大，其吸收能力也越大。换句话，善于辐射的物体必善于吸收。射的物体必善于吸收。2 2、对于工程问题而言，只要在所研究的波长范围、对于工程问题而言，只要在所研究的波长范围内光谱吸收比基本上与波长无关，则灰体的假定是内光谱吸收比基本上与波长无关，则灰体的假定是成立的

15、。成立的。3 3、当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能、当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能把物体当作灰体处理。把物体当作灰体处理。第35页/共66页例例、北北方方深深秋秋季季节节的的清清晨晨，树树叶叶叶叶面面上上常常常常结结霜霜。试问树叶上、下面的哪一面结霜试问树叶上、下面的哪一面结霜?为什么为什么?答答：霜霜会会结结在在树树叶叶的的上上表表面面。因因为为清清晨晨，上上表表面面朝朝向向太太空空，下下表表面面朝朝向向地地面面。而而太太空空表表面面的的温温度度低低于于摄摄氏氏零零度度，而而地地球球表表面面温温度度一一般般在在零零度度以以上上。由由于于相相对对树树叶叶下下表表面面来来说说，

16、其其上上表表面面需需要要向向太太空空辐辐射射更更多多的的能能量量，所所以以树树叶叶下下表表面面温温度度较较高高，而而上表面温度较低且可能低于零度，因而容易结霜。上表面温度较低且可能低于零度，因而容易结霜。梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学第36页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学有效辐射角系数四、辐射换热的计算四、辐射换热的计算第37页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学1、角系数（1 1）角系数的定义）角系数的定义角系数是纯几何因子角系数是纯几何因子.我们把从表面1发出的辐射能中落到表面2上的百分数,称为表面1对表面2的角系数,记为第38页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等

17、传热学（2 2）角系数的性质）角系数的性质 研究如图示中微元面研究如图示中微元面d dA A1 1到另一个微元面到另一个微元面d dA A2 2的的角系数，根据定义得：角系数，根据定义得：角系数的相对性角系数的相对性第39页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学 在几个表面组成的封在几个表面组成的封闭系统中，任一个表面闭系统中，任一个表面对封闭腔各个表面的角对封闭腔各个表面的角系数之和等于系数之和等于1 1。角系数的完整性角系数的完整性第40页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学角系数的可加性角系数的可加性可加性只是对逗号后边的角码是可加的可加性只是对逗号后边的角码是可加

18、的第41页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学(3)(3)角系数的计算角系数的计算1)1)定义法定义法第42页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学2)2)直接积分法直接积分法第43页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学第44页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学第45页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学3)3)代数分析法代数分析法利用角系数的相对性、完整性及可加性。利用角系数的相对性、完整性及可加性。1 12 2第46页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学第47页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学2 2、有效辐射、有效辐射 单位时间离开物体单位面

19、积的总辐射能为有效辐射，记为J。单位W/m2对于黑体对于黑体第48页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学3、辐射热网络法的辐射换热计算(1)(1)辐射网络的主要热阻辐射网络的主要热阻 空间辐射热阻空间辐射热阻表面表面1 1表面表面2 2如果是黑体如果是黑体第49页/共66页梁秀俊梁秀俊高等传热学 任意物体表面与外界的辐射换热量（辐射散任意物体表面与外界的辐射换热量（辐射散热量）与有效辐射热量）与有效辐射J J 之间的关系：之间的关系：表面辐射热阻表面辐射热阻第50页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学(2)(2)网络法辐射换热网络法辐射换热 称为系统黑度 第51页/共6

20、6页梁秀俊梁秀俊高等传热学第52页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学三个表面组成的封闭系统三个表面组成的封闭系统画出等效的网络图画出等效的网络图第53页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学列出节点的热流方程列出节点的热流方程上面三个表面组成的封闭系统中节点J1的方程为：第54页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学求解由各节点方程组成的方程组，得到求解由各节点方程组成的方程组，得到J J1 1、J J2 2等等确定每个表面的净辐射换热量或任意两个表面间的确定每个表面的净辐射换热量或任意两个表面间的辐射换热量。辐射换热量。第55页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高

21、等传热学高等传热学黑体表面黑体表面因此有：第56页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学重辐射面重辐射面 与黑体表面情况的区别，重辐射面的温度是与黑体表面情况的区别，重辐射面的温度是待定的。待定的。第57页/共66页梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学4、杰勃哈特法的辐射换热计算1）定义：表面1发出的辐射能中最终被表面2吸收的份额，称为表面1对表面2的吸收因子，记作B1,2(1)(1)吸收因子吸收因子2 2）吸收因子的性质）吸收因子的性质相对性相对性完整性完整性第58页/共66页梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学(2)(2)表面辐射散热分析表面辐射散热分析根据吸收因子的定义，在封闭系

22、统中，任意表面根据吸收因子的定义，在封闭系统中，任意表面j j的的净辐射散热为净辐射散热为1 1对对j j的吸收因子为的吸收因子为类似类似第59页/共66页梁秀俊梁秀俊高等传热学第60页/共66页梁秀俊梁秀俊高等传热学第61页/共66页梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学5、射线踪迹法的辐射换热计算射线踪迹法的基本特点是追踪表面发射的能束，跟射线踪迹法的基本特点是追踪表面发射的能束，跟踪分析观察能束的反射吸收情况，直到能束被完全踪分析观察能束的反射吸收情况，直到能束被完全吸收。吸收。表面表面1 1单位面积散热单位面积散热第62页/共66页梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学表面表面1 1单位面积散热单

23、位面积散热第63页/共66页梁梁 秀秀 俊俊传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer6.简单形状镜面间的辐射换热 镜反射镜像分析法 从一个表面镜反射的辐射射线，就像从一个表面镜反射的辐射射线，就像来自镜面后边的来自镜面后边的成像成像发射出来的射线一样。发射出来的射线一样。平面镜成像特点：平面镜成像特点：（1 1）像和物体的大小相等；）像和物体的大小相等；（2 2）像和物体到镜面的距离相等；）像和物体到镜面的距离相等；（3 3）像和物体的连线垂直于镜面。）像和物体的连线垂直于镜面。假设镜面为灰体(1)两平行的无限大平板镜面间的辐射换热T1T2第64页/共66页梁秀俊梁秀俊高等传热学(2)两同轴无限长圆柱镜面间的辐射换热 两同心球镜面间的辐射换热1 12 2abc第65页/共66页梁秀俊高等传热学感谢您的观看！第66页/共66页