《热辐射及辐射传热》PPT课件.ppt

第六章辐射传热 6 1热辐射的基本概念 6 2黑体辐射的基本定律 6 3黑体表面间的辐射传热与角系数 6 4实际物体辐射的基本规律 6 5封闭系统中灰体表面间的辐射传热 6 1热辐射的基本概念 一 热辐射本质 1 基本概念辐射 物体以电磁波向外传递能量的现象 热辐射 由于物体内部微观粒子的热运动状态改变 而将部分热力学能转换成电磁波的能量发射出去的过程 电磁波落到物体上 一部分被物体吸收 将电磁波的能量重新转换成热力学能 2 特点 不需要物体直接接触 可在真空中传递 最有效 有能量形式的转化 辐射 辐射体内热力学能 辐射能吸收 辐射能 受射体内热力学能 只要T 0K 就有能量辐射 高温物体低温物体双向辐射热能 物体的辐射能力与绝对温度的四次方成正比 电磁波遵循c 规律 3 电磁波谱 由于起因不同 物体发出电磁波的波长也同 热辐射的波长主要位于0 10 1000 m的范围内 热射线 热辐射产生的电磁波 工业上一般物体 T 2000K 热辐射的大部分能量的波长位于0 76 20 m 太阳辐射 0 1 3 m约定 除特殊说明 以后论及的热射线都指红外线 热射线 波普上热射线中红外线占优 某一具体物体的热辐射中 红外线热辐射并不一定也是占优的 紫外线0 1 0 38 m可见光0 38 0 76 m红外线0 76 1000 m近红外线0 76 1 4 m中红外线1 4 3 0 m远红外线3 0 1000 m 当热辐射投射到物体表面上时 与可见光一样 会发生吸收 反射和穿透三种现象 二 吸收比 反射比和透射比 对于大多数的固体和液体 对于不含颗粒的气体 为研究辐射特性可提出以下理想辐射模型 黑体 1 0 0 白体 0 1 0 透明体 0 0 1 对于大多数的固体和液体 原因 热射线穿过固体和液体表面后 在很小的距离内就被完全吸收 其吸收和反射几乎都在表面进行 因此 物体表面状况对其吸收和反射影响很大 特例1 玻璃对可见光是透明体 对其他波长的热辐射 穿透能力很差 温室效应黑颜色的物体对可见光具有较强的吸收能力 白颜色则反射能力强 自然界和工程应用中 完全符合理想要求的黑体 白体和透明体虽然并不存在 但和它们根相象的物体却是有的 例如 煤炭的吸收比达到0 96 磨光的金子反射比几乎等于0 98 而常温下空气对热射线呈现透明的性质 但是 在分析实际物体表面的吸收 反射和透过特性的时候 必须非常谨慎地对待波长 尤其要注意不能以肉眼的直观感觉来判断某物体吸收比的高低 三 辐射力和有效辐射 辐射力 单位时间内物体单位辐射面积向外界 半球空间 发射的全部波长的辐射能 又称发射辐射 记为E W m2相同温度下 黑体的辐射力Eb最大 实际物体的辐射力E Eb投射辐射 单位时间内投射到单位面积上的总辐射能 记为G W m2 有效辐射 物体除了向外界发出发射辐射外 其它物体投射到该物体表面上的投射辐射还有部分被反射 发射辐射和反射辐射之和 称有效辐射 记为J W m2 简化了实际物体间辐射传热的多次反射和吸收过程 四 定向辐射度 1 可见辐射面积 一表面在某一方向上的可见辐射面积 即为该方向上可以看得见的辐射面积 是该表面在该方向上的投影 dAs dAcos 2 平面角 用圆周角定义 l r 定义 立体角为一空间角 即被立体角所切割的球面面积除以球半径的平方称为立体角 单位 sr 球面度 3 立体角 定义 单位时间内 单位可见辐射面积在某一方向p的单位立体角内所发射的总辐射能 发射辐射和反射辐射 W m2 sr 4 定向辐射度Lp 漫发射表面 能向半球空间各方向发出均匀辐射度Lp的发射辐射物体表面 黑体 漫反射表面 若不论外界辐射是以一束射线沿某一方向投入还是从整个半球空间均匀投入 物体表面在半球空间范围内各方向都有均匀的反射辐射度Lp的物体表面 白体 五 漫射表面 漫射表面 若表面即是漫发射表面 又是漫反射表面 则该表面称漫射表面 一 黑体和黑体模型 图7 5黑体模型 6 2黑体辐射的基本定律 黑体 是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体 是一种科学假想的物体 现实生活中是不存在的 但却可以人工制造出近似的人工黑体 黑体性质 黑体吸收能力最强 1黑体的辐射能力也最强 1黑体表面是漫发射表面自然界中 真正的黑体不存在 但是吸收能力很强的物体也存在 烟炱和黑丝绒 光谱辐射力E 单位时间内 单位波长范围内 包含某一给定波长 物体的单位表面积向半球空间发射的能量 W m3 E E 关系 黑体一般采用下标b表示 如黑体的辐射力为Eb 黑体的光谱辐射力为Eb 二 普朗克Planck定律 式中 波长 m T 黑体温度 K c1 第一辐射常数 3 742 10 16W m2 c2 第二辐射常数 1 4388 10 2W K 1901年 普朗克在量子理论的基础上得到了黑体光谱辐射力Eb 随波长 和温度T变化的函数关系 Planck定律的图示 黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系 分析 黑体的光谱辐射力随波长连续变化 光滑曲线 0或 Eb 0 对任一波长 T Eb 对任一温度 Eb 存在一最大值 Eb max 对应波长 max 且随着温度T的增加 max变小 向左移动 当T很小时 可见光份额很少 随着T增大 800K 可见光份额才有所升高 常温下 实际物体的辐射主要是红外辐射 三 维恩位移定律 1893年 应用举例 思考1 一铁块放入高温炉中加热 从辐射的角度分析铁块的颜色变化过程 用它可测定太空星体表面温度 也可用来选择对特定地物的监测波段 如火灾检测 2 黑体一定是黑色的吗 3 节能灯原理 暗红 鲜红 桔黄 白炽 超过1300度 三 Stefan Boltzmann定律 式中 5 67 10 8W m2 K4 是斯蒂芬 波尔兹曼常数 描述了黑体辐射力随表面温度的变化规律 1879年Stefan实验 1884年Boltzman热力学理论得出 将Plank sLaw积分即得 黑体辐射函数 定义 在0 的波长范围内黑体发出的辐射能在其辐射力中所占份额 图中的在 1和 2之间的线下面积 黑体在波长 1和 2区段内所发射的辐射力 黑体辐射函数 定义 在0 的波长范围内黑体发出的辐射能在其辐射力中所占份额 Fb 0 将Eb 用普朗克定律代入得 波段辐射力 在 1 2的波长范围黑体的波段辐射函数为 黑体辐射函数 四 Lambert定律 可以证明 黑体辐射的定向辐射强度与方向无关 它说明黑体的定向辐射力随天顶角 呈余弦规律变化 Lambert定律也称为余弦定律 黑体辐射能在空间不同方向上的分布不均匀 法向最大 切向最小 为零 注意 1 对服从Lambert定律的表面 辐射强度与辐射力的关系 2 定向辐射强度与方向无关的表面 漫射表面3 对黑体辐射强度的理解 相当于 灯泡亮度 即从不同方向看过去 其亮度都是一样的 黑体辐射定律小结 Stefan Boltzmann定律 描述黑体在某一温度下向半球空间所有方向辐射的全部波长的能量 即对方向和波长都积分的结果 Planck定律 描述黑体在某一温度下向半球空间所有方向辐射的能量沿波长分布的规律 即只对方向积分 但研究的是某一波长 Lambert定律 描述黑体在某一温度下所辐射的全部波长的能量沿半球空间方向上的分布规律 即只对波长积分 但研究的是某一方向 对黑体而言 辐射强度是常数 任意放置的两个黑体表面 面积 A1 A2 温度 T1 T2如何计算它们的传热量 6 3黑体表面间的辐射传热与角系数 表面1发出的辐射能 Eb1A1表面2发出的辐射能 Eb2A2 二者相减是不是它们之间的换热量 为什么 在表面面积 温度确定的条件下 表面1发出的辐射能未必全部落到表面2上 同样表面2发出的辐射能未必全部落到表面1上 表面相对位置不同 黑体发出的辐射能落到对方上的数量是不同的 因为表面是向其上的半球空间发射的 两个表面之间的辐射换热量与两个表面之间的相对位置有很大关系 表面相对位置的影响 a图中两表面无限接近 相互间的换热量最大 b图中两表面位于同一平面上 相互间的辐射换热量为零 一 角系数 同理 表面2发出的辐射能中落到表面2上的百分数称为表面2对表面1的角系数 记为X2 1 角系数是进行辐射换热计算时空间热组的主要组成部分 角系数 把表面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X1 2 二 确定角系数的方法 从角系数的定义出发直接求得积分法查曲线法代数分析法投影法 几何图形法 T2 T1 三 角系数的性质 研究角系数的性质是用代数法 代数分析法 求解角系数的前提 假定 所研究的表面是漫射的在所研究表面的不同地点上向外发射的辐射热流密度是均匀的 1 角系数的相对性 当T1 T2时 净辐射换热量为零 即Eb1 Eb2 则两个表面间角系数的相对性的表达式 两个黑体表面间进行辐射换热 表面1辐射到表面2的辐射能为A1Eb1X1 2 表面2辐射到表面1的辐射能为A2Eb2X2 1 两黑体表面间的净辐射换热量为 由于角系数是纯几何因素 与是否黑体无关 所以相对性也适用于其它漫射表面 2 角系数的完整性 角系数的完整性 注 若表面1为非凹表面时 X1 1 0 若表面1为凹表面 3 角系数的有界性 如图 从表面1上发出而落到表面2上的总能量 等于落到表面2上各部分的辐射能之和 4 角系数的分解性 可加性 如把表面2进一步分成若干小块 则有 角系数的可加性 1 三个非凹表面组成的封闭系统 图8 23三个非凹表面组成的封闭系统 四 用代数法求角系数 由角系数完整性 由角系数相对性 三表面封闭空间角系数的确定 上述方程解得 由于垂直纸面方向的长度相同 则有 2 任意两个非凹表面间的角系数 如图 表面和假定在垂直于纸面的方向上表面的长度是无限延伸的 只有封闭系统才能应用角系数的完整性 为此作辅助线ac和bd 与ab cd一起构成封闭腔 两个非凹表面及假想面组成的封闭系统 根据角系数的完整性 两个非凹表面及假想面组成的封闭系统 上述方法又被称为交叉线法 注意 这里所谓的交叉线和不交叉线都是指虚拟面断面的线 或者说是辅助线 两个非凹表面及假想面组成的封闭系统 例题8 1 求下列图形中的角系数 解 解 解 解 解 注 利用这样的分析方法 扩大线图的使用 可以得出很多几何结构简单的角系数 例题8 8 求图中1 4两个表面之间的角系数 解 从图中可知 表面2对表面3和表面2对表面1 3的角系数都可以从图5 20中查出 X2 3 0 10X2 1 3 0 15 由角系数的可分性X2 1 3 X2 1 X2 3可得到 X2 1 X2 1 3 X2 3 再根据角系数的互换性A1X1 2 A2X2 1即可得到 X1 2 A2X2 1 A1 A2 X2 1 3 X2 3 A1 2 5 0 15 0 10 1 0 125 例 试确定如图所示的表面1对表面2的角系数X1 2 二两黑体表面间的辐射换热 确定了角系数之后 结合斯蒂芬 波尔兹曼定律可以很方便的求出两个黑体表面之间的净换热量 写成电学中欧姆定律表达式的形式 相当于电阻 称为空间辐射热阻 6 4实际物体辐射的基本规律 热辐射两个重要性质光谱性质 光谱辐射力随波长的变化方向性 辐射度实际物体的光谱辐射力不仅比黑体的光谱辐射力Eb 小 而且E 与波长的关系也没有一定的规律性 一 实际物体 1 发射率 同温度下 黑体发射热辐射的能力最强 真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体发射率 也称为黑度 相同温度下 实际物体的辐射力与黑体辐射力之比 实验证明 实际物体的辐射力并不严格地与温度的四次方成比例 为了计算方便 将偏差考虑到 中 与温度有关 公式只是针对方向和光谱平均的情况 但实际上 真实表面的发射能力是随方向和光谱变化的 Wavelength Direction anglefromthesurfacenormal 定向发射率 实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比 2 定向发射率 定向发射力 在数值上为单位辐射面积在单位时间内向某一方向单位立体角内发射的辐射能 对于指定波长 而在方向上平均的情况 则定义了光谱发射率 即实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比 3 光谱发射率 几种金属导体在不同方向上的定向发射率 t 150 几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率 t 0 93 3 某一温度下 实际物体的定向辐射强度在各方向上的变化是不规则的 金属 在 0 40 基本为常数 然后随着 接近90 减小到0非金属 在 0 60 基本为常数 后 半球空间的平均发射率 半球发射率 发射率 粗糙物体 表面光滑的非金属物体 高度磨光的金属物体 一般情况下 近似认为 大多数工程材料可以认为是漫反射表面 几点说明 将不确定因素归于修正系数 这是由于热辐射非常复杂 很难理论确定 是权宜之计 虽然实际物体并非绝对的漫射表面 但仍然近似地认为大多数工程材料是漫射表面 影响发射率的因素 物质种类 表面温度和表面状况 这说明发射率只与发射辐射的物体本身有关 而不涉及外界条件 因此 发射率是一个物性参数 我们看到的常温物体呈现某一颜色 解释这一现象 4 实际物体的吸收特性 对投入辐射反应 1 吸收选择性 投入辐射本身具有光谱特性 因此 实际物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变化 这叫吸收选择性例如 墨镜 焊接防护镜 解释 物体呈现不同的颜色 黑色 全部吸收 白色 全部反射绿色 反射绿色 灰色 均匀吸收 2 吸收比 物体对投入辐射所吸收的百分数 通常用 表示 即 3 光谱吸收比 物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数 也叫单色吸收比 光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性 室温下几种材料的光谱吸收比同波长的关系 金属导电体的光谱吸收比同波长的关系 非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系 根据前面的定义可知 物体的吸收比除与自身表面性质 材料种类 粗糙度 氧化情况等 和表面温度有关外 还与投入辐射按波长的能量分布有关 实际物体的吸收比 f 吸收表面性质 温度和投射辐射性质 白漆 对太阳光 0 12 对红外线 0 90黑漆 对太阳光 0 96 对红外线 0 90 图7 18给出了一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系 如果投入辐射来自黑体 由于 则上式可变为 一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系 实际物体的光谱吸收比与黑体相差很大 不但小于1 无规律 且随波长变化 若某一物体的光谱吸收比虽小于1 但它是一个不随投射辐射的波长而变化的常数 则它的吸收比也是一个常数 灰体 光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体 二 灰体 灰体与黑体类似 它也是一种理想物体 但对于大部分工程问题来讲 灰体假设带来的误差是可以接受的 灰体的光谱发射率亦为常数 发射辐射与吸收辐射二者之间的联系 1859年基尔霍夫揭示了与周围环境处于热平衡状态下的实际物体辐射力E与吸收比 间的关系 三 基尔霍夫定律 如图 板1是黑体 板2是实际物体 参数分别为Eb T1以及E T2 图8 17平行平板间的辐射换热 当系统处于热平衡时q 0 有 板2支出与收入的差额即为两板间辐射换热的热流密度q 即基尔霍夫定律的表达式之一 表述为 在热平衡条件下 任何物体辐射力与它对黑体辐射的吸收比之比恒等于同温度下黑体的辐射力 说明 整个系统处于热平衡状态 如物体的吸收率和发射率与温度有关 则二者只有处于同一温度下的值才能相等 投射辐射源必须是同温度下的黑体 推论 善于辐射的物体也必善于吸收同温度下黑体的辐射能 1 实际物体E Eb 同温度下 即在同一温度下 黑体的辐射力最大 在与黑体处于热平衡条件下 任何物体对黑体辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率 对于光谱辐射 另一表达形式 对灰体来说 灰体的吸收比与投射辐射的波长分布无关 即只取决于本身情况 而与外界条件无关 例 北方深秋季节的清晨 树叶叶面上常常结霜 试问树叶上 下去面的哪一面结箱 为什么 答 霜会结在树叶的上表面 因为清晨 上表面朝向太空 下表面朝向地面 太空表面的温度低于摄氏零度 而地球表面温度一般在零度以上 由于相对树叶下表面来说 其上表面需要向太空辐射更多的能量 所以树叶下表面温度较高 而上表面温度较低且可能低于零度 因而容易结霜 灰体表面间的辐射传热过程比较复杂 不仅发出辐射 还有灰体表面间的多次反射辐射 常常采用有效辐射J的概念来简化 但其大小又常常是未知的 同时由于向外辐射的空间大 接触的物体多 常假想为是一个封闭系统 便于计算 求J方法 辐射网络法假设 表面的有效辐射均匀 灰体 充满透明介质 6 5封闭系统中灰体表面间的辐射换热 一 组成辐射网络的基本热阻 1 表面辐射热阻 对任一表面i 从表面i外部来观察 其能量收支差额应等于有效辐射Ji与投入辐射Gi之差 即 a b 有效辐射示意图 从表面i内部观察 该表面与外界的辐射换热量应为 有效辐射示意图 c 联立 a c 消去Gi 得到Ji与表面净辐射换热量之间的关系 8 33 将上式变形 得到 当发射率 i 1或表面积Ai 时 0 由此可见 是因为表面的发射率不等于1或表面面积不是无穷大而产生的热阻 即由表面的因素产生的热阻 所以称为表面辐射热阻 8 34 注意 式中的各个量均是对同一表面而言的 而且以向外界的净放热量为正 净吸热量为负 2 空间辐射热阻 由灰体表面i和表面j辐射换热计算式得 是灰体表面i的有效辐射面积Ae i AiXi j 不是无限大而产生的空间辐射热阻 或几何热阻 二 两灰表面组成的封闭系统的辐射换热 两个物体组成的辐射换热系统 下面来分析两个等温漫灰表面封闭系统内的辐射换热情况 如图所示 两个表面的净换热量为 根据能量守恒有 a b c d 因为 将 b c d 代入 a 得 若以为计算面积 上式可改写为 定义系统黑度 或称为系统发射率 几种特殊情形 1 表面1为凸面或平面 同心圆锥体 此时 X1 2 1 于是 2 表面积A1与表面积A2相当且X1 2 1 平行大平壁 即A1 A2 1于是 3 表面积A1比表面积A2小得多 非凹小物体 且X1 2 1 即A1 A2 0于是 4 黑体 例题 某房间吊装一水银温度计读数为15 已知温度计头部发射率 黑度 为0 9 头部与室内空气间的对流换热系数为20W m2 K 墙表面温度为10 求该温度计的测量误差 如何减小测量误差 解 由题意可知 这是一个小面积对大面积的辐射问题 包容壁面辐射 且辐射换热量与对流换热量遵守能量守恒 所谓遮热板 是指插入两个辐射换热表面之间以削弱辐射换热的薄板 其实插入遮热板相当于降低了表面发射率 本节主要讨论这种削弱辐射换热的方式 三 遮挡板 遮热板一般采用薄金属板制成 大 小 欲使 1 2 途径有三 改变表面温度 改变表面黑度 发射率 加遮挡板 加遮挡板后 A1 A2 A3 X1 3 X3 2 X1 2 1 显然 有1层遮挡板时 遮热板 与没有插入时相比 加遮挡板后增加了三个热阻 两个表面辐射热阻 一个空间辐射热阻 从而使插入后传热量减小 由于插入遮挡板后总热阻不变 无论遮挡板靠近板1还是板2 换热量不变 与距离无关 当时 插入n块发射率相同的遮挡板有 实际上遮挡板的发射