《辐射及辐射传热》PPT课件.pptVIP

6 3黑体表面间的辐射换热 黑体辐射规律 波长特性 普朗克定律 辐射力 斯蒂芬 玻尔兹曼定律 方向特性 兰贝特定律 6 3 1黑体间辐射换热的计算 上 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 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 6 3 1黑体间辐射换热的计算 上 6 3 1黑体间辐射换热的计算 上 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 为什么 6 3 1黑体间辐射换热的计算 上 两种极端的情形 6 3 1黑体间辐射换热的计算 上 大多数情况是介于二者之间的特殊情形 6 3 1黑体间辐射换热的计算 上 角系数 离开某一表面1的辐射能落到另一表面2上的份额 称为表面1对表面2的角系数以X1 2表示 其中1表示发射辐射能的表面 2表示接受辐射能的表面同样可定义X2 1 从表面1发出的并落到表面2的辐射能为 从表面2发出的并投落到表面1的辐射能为 两个表面以辐射的方式交换的热量为 角系数怎么得到 6 3 1黑体间辐射换热的计算 上 根据角系数和定向辐射强度的定义 并利用兰贝特定律 6 3 2角系数及计算1角系数的定义式 1 角系数纯是几何因子 条件 漫射表面 表面温度均匀 不均匀应看成不同表面 取决于表面的几何形状 大小和相对位置与物体的种类 温度 表面状况及是否是黑体表面无关 6 3 2角系数及计算2角系数的性质 2 有限性 3 互换性原理 相对性 Reciprocity 6 3 2角系数及计算2角系数的性质 4 完整性 6 3 2角系数及计算2角系数的性质 5 可加性体现了能量守恒 此式成立否 6 3 2角系数及计算1角系数的性质 此式不成立 直接的可加性只针对角系数的第二个角码 对第一个角码实施可加性时需要考虑各自的面积 6 3 2角系数及计算1角系数的性质 角系数的确定方法有 直接积分法 查曲线法 代数法 1 直接积分法 四重积分 数学上存在困难 6 3 2角系数及计算3角系数的计算 2 代数分析法 利用角系数的定义及性质 通过代数运算确定角系数的方法 互换性 完整性 6 3 2角系数及计算3角系数的计算 a 由三个非凹表面组成的封闭系统 在垂直于纸面方向上为无限长 忽略端部效应 非凹表面 根据角系数的完整性 6 3 2角系数及计算3角系数的计算 a 由三个非凹表面组成的封闭系统 在垂直于纸面方向上为无限长 忽略端部效应 根据角系数的互换性 6 3 2角系数及计算3角系数的计算 角系数的完整性 角系数的互换性 6 3 2角系数及计算3角系数的计算 6 3 2角系数及计算3角系数的计算 b 由两个在垂直于纸面方向无限长的非凹表面1 2 横断面的线段长度分别为ab cd 作辅助面ac bd 由完整性 作辅助面bc构造封闭空腔abc 作辅助面ad构造封闭空腔abd 6 3 2角系数及计算3角系数的计算 交叉线法 6 3 2角系数及计算3角系数的计算 c 几种特殊几何关系的角系数 平行放置 相距很近的两个大平板 忽略边缘效应 凸表面1被另一黑体凹表面2包围 6 3 2角系数及计算3角系数的计算 c 几种特殊几何关系的角系数 6 3 2角系数及计算3角系数的计算 3 查图法 为便于工程应用 已将大量几何结构的角系数求解结果绘制成曲线注意 曲线适用的表面在几何形状及方位上的要求 可查阅传热学手册 辐射传热手册 6 3 2角系数及计算3角系数的计算 两个黑体表面之间的净换热量 6 3 3黑体表面间辐射传热的计算 下 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 3 3黑体表面间辐射传热的计算 下 辐射传热计算中涉及到两个热量 两个表面之间的换热量 某个表面的净损失 得到 的热量这两个热量是一回事吗 6 3 3黑体表面间辐射传热的计算 下 对任意位置的两个表面 二者未必相等 表面间的换热量未必是表面1净损失的辐射能量或表面2净获得的辐射能量 为什么 表面还可能与其他表面进行辐射传热封闭腔对辐射传热计算的重要性 6 3 3黑体表面间辐射传热的计算 下 封闭腔 必须把由空间各个方向投射到该表面的辐射能包括进去 接受辐射能的所有表面构成封闭腔内的表面可以是物理上真实的 也可以是虚拟的 6 3 3黑体表面间辐射传热的计算 下 任意个表面的净辐射热流量为 6 3 3黑体表面间辐射传热的计算 下 6 3 3黑体表面间辐射传热的计算 下 6 4实际物体辐射的基本规律 6 4 1实际表面辐射的发射特性1实际表面辐射的波长特性2实际物体的辐射力3实际表面辐射的方向特性6 4 2实际表面对投射辐射的反应6 4 3基尔霍夫定律6 4 4灰体 6 4 1实际物体的发射特性1实际物体辐射的波长特性 Planck定律 实际物体 1 定性上类似普朗克定律 连续 但不光滑 不规则 2 0或 E 0 6 4 1实际物体的发射特性1实际物体辐射的波长特性 实际物体 3 存在E max 但与黑体并不对应 4 总是位于黑体曲线的下方 6 4 1实际物体的发射特性1实际物体辐射的波长特性 单色黑度 光谱发射率 实际物体的光谱辐射力与相同温度下 相同波长黑体的光谱辐射力之比 实际物体的光谱辐射力 6 4 1实际物体的发射特性1实际物体辐射的波长特性 实际物体的光谱发射率随波长的变化是不规则的 发射率 黑度 全黑度 全辐射率 发射率和光谱发射率均为小于1的正数 表示实际物体发射辐射能的能力接近黑体的程度 提供了比较的标准 6 4 1实际物体的发射特性2实际物体的辐射力 实际物体的辐射力 与温度不成四次方关系 偏差归到发射率中 发射率都是温度的函数 6 4 1实际物体的发射特性2实际物体的辐射力 发射率是温度的函数 6 4 1实际物体的发射特性2实际物体的辐射力 关于发射率 发射率是材料的物性参数 查手册取得 手册中 法向发射率 6 4 1实际物体的发射特性2实际物体的辐射力 发射率的影响因素 1 物体表面温度 2 物质的种类 特别是表面及最外层的材料种类 一般来说 金属的发射率较小 而非金属的发射率较大 3 表面状况 表面的氧化及加工状况 粗糙度 6 4 1实际物体的发射特性2实际物体的辐射力 金属的发射率较小 非金属的发射率较大 如38 下无光泽铜的发射率为0 22 镀锌铁皮的发射率为0 23大部分非金属材料的发射率都很高 一般在0 85 0 95之间 各色油漆的发射率介于0 92 0 96之间 抹灰墙的发射率为0 94非金属材料的表面状况 包括颜色 对发射率的影响不大 缺乏资料时 可近似取作0 90 6 4 1实际物体的发射特性2实际物体的辐射力 表面状况 表面的氧化及加工状况 表面的粗糙化和氧化层的形成 将使发射率明显增加例如 在常温38 下的黄铜表面 粗糙黄铜 0 74 无光泽黄铜 0 22 稍加磨光黄铜 0 12 抛光的黄铜黑度 0 05左右 严重氧化 0 9 6 4 1实际物体的发射特性2实际物体的辐射力 6 4 1实际物体的发射特性2实际物体的辐射力 黑体辐射 兰贝特定律 定向辐射强度与方向无关实际物体则不然 不满足兰贝特定律 定向发射率 定向黑度 注意 实际物体的定向辐射强度完全是自身发射的辐射能 不包括投射辐射后反射的部分 6 4 1实际物体的发射特性3实际物体的方向特性 实际物体并不是理想的漫射表面 定向发射率在空间的不同方向是不同的 6 4 1实际物体的发射特性3实际物体的方向特性 非导体 大致在60 70 范围内 定向发射率几乎不变 超过该范围 逐渐减小 超过70 以后 急剧减小直到为零 导体 低于40 50 近似为常数 超出此范围 先快速增大 最后衰减为零 半球向总发射率与法向发射率的比值相差不多导体 不会超过1 0 l 3非导体 介于0 93 1 0鉴于此 对绝大多数实际工程材料来说 近似地认为服从兰贝特定律 即实际材料也近似看作漫射表面 6 4 1实际物体的发射特性3实际物体的方向特性 热辐射的电磁波投射到物体表面上时 和可见光一样也会发生吸收 反射和透过现象 6 4 2实际物体对投入辐射的反应1物体状态对投入辐射的影响 物体的吸收比 反射比和透射比都是反映物体辐射特性的参数物质的种类 状态 温度和投入辐射的来源等都会对其产生影响 对大多数固体和液体 当热射线投射到它们表面上时 会在很短的距离内就被完全吸收 金属材料 仅有几分之一微米 大多数非金属材料 一般不超过1mm固体和液体对热辐射是不透明的 6 4 2实际物体对投入辐射的反应1物体状态对投入辐射的反应 热射线不能穿透固体和液体 即 0 6 4 2实际物体对投入辐射的反应1物体状态对投入辐射的反应 固体和液体的吸收能力越强 反射能力就越弱 反之亦然 由于固体和液体对投入辐射的吸收和反射都是在表面上进行的 物体表面状况对吸收和反射特性影响很大 气体则不同 0 6 4 2实际物体对投入辐射的反应1物体状态对投入辐射的影响 吸收比大的气体 其穿透性就差 黑体是理想的辐射吸收体实际物体则不然引入光谱吸收比和吸收比的概念 6 4 2实际物体对投入辐射的反应2物体的吸收特性 光谱吸收比 将物体表面对某一特定波长辐射能所吸收的份额 6 4 2实际物体对投入辐射的反应2物体的吸收特性 式中 G 表示波长为 的投入辐射 G 为投入辐射中被吸收的部分 6 4 2实际物体对投入辐射的反应2物体的吸收特性 吸收比 物体对全波长范围内的投入辐射所吸收的份额 吸收比是在半球方向上进行过积分的平均值 光谱吸收比与吸收比的关系 6 4 2实际物体对投入辐射的反应2物体的吸收特性 金属导电体的光谱吸收比与波长的关系 6 4 2实际物体对投入辐射的反应2物体的吸收特性 非金属材料的光谱吸收比同波长的关系 影响物体表面吸收的主要因素有 1 物体本身的状况物体的种类 物体的温度和表面状况 材料不同 对同一波长投入辐射的吸收是不同的 表面的状况如颜色 粗糙程度对物体的吸收也有影响 但是投入辐射的来源不同 影响程度不同 6 4 2实际物体对投入辐射的反应2物体的吸收特性 1 物体本身的状况投入辐射的来源不同 对吸收的影响程度不同 太阳辐射 表面颜色是影响物体吸收的重要因素白色表面对太阳光的吸收能力差 反射能力强 而黑色表面对太阳光的吸收能力强 反射能力差 冬不穿白 夏不穿黑 的说法 6 4 2实际物体对投入辐射的反应2物体的吸收特性 1 物体本身的状况 红外辐射 表面的粗糙状况是影响表面吸收辐射能的主要因素 表面颜色对吸收的影响很小如 1 白漆和黑漆对红外辐射的吸收比几乎相同 2 雪对红外辐射的吸收比可达到0 985 6 4 2实际物体对投入辐射的反应2物体的吸收特性 2 投入辐射的波长材料不同 光谱吸收比随波长的变化规律也不同 有些材料 如磨光的铜和铝 随波长的变化幅度不大 有些材料的光谱吸收比随波长的变化差异很大波长不同 同一种材料的光谱吸收比不同 6 4 2实际物体对投入辐射的反应2物体的吸收特性 6 4 2实际物体对投入辐射的反应2物体的吸收特性 物体的吸收具有选择性 物体的光谱吸收比随波长而异的性质 1 玻璃的选择性吸收而造成的温室效应 玻璃特性 对波长小于2 2 m的短波辐射的吸收比很小 而对大于3 m的长波辐射的吸收比很大 白天太阳中的可见光可以通过玻璃进入暖房 而暖房内常温物体发出的长波辐射却难以通过玻璃 6 4 2实际物体对投入辐射的反应2物体的吸收特性 2 焊接中的黑色眼镜 能吸收对有害的紫外线 3 自然界中五彩斑斓的色彩 黑色 物体能几乎全部吸收各种可见光 灰色 几乎均匀吸收各色可见光并均匀反射各色可见光 某种颜色 只反射了一种可见光而几乎吸收了其它可见光 6 4 2实际物体对投入辐射的反应2物体的吸收特性 6 4 2实际物体对投入辐射的反应2物体的吸收特性 3 材料的吸收比还随着外界物体温度的变化而变化 3 材料的吸收比还随着外界物体温度的变化而变化 外界物体的温度不同 发射的辐射能随波长的分布规律不同 实际物体的吸收对波长具有选择性同一表面在不同的环境中可能具有不同的吸收比这大大增加了研究难度 6 4 2实际物体对投入辐射的反应2物体的吸收特性 黑体和透明体 如气体 没有反射 镜体则将投入辐射全部反射出去实际物体的反射则介于这些理想体之间辐射能投射到实际物体表面后的反射现象和可见光一样 有镜面反射和漫反射之分 6 4 2实际物体对投入辐射的反应3物体的反射特性 6 4 2实际物体对投入辐射的反应3物体的反射特性 镜面反射的入射角等于反射角 漫反射则是物体将从某一方向投射到其表面的辐射能向空间各个方向以相同的强度反射出去 表面的粗糙度对反射的类型有决定性的影响 镜面反射 表面不平整尺寸小于投入辐射波长 漫反射 表面不平整尺寸大于投入辐射波长除经过特殊处理的金属表面外 一般工程材料的表面均可看作是漫反射表面 尤其在一般工程温度下的红外辐射波段内 6 4 2实际物体对投入辐射的反应3物体的反射特性 大部分固体和液体对热射线是不透明的物体的透射具有选择性 对某一波长范围的热射线具有良好的穿透性 而对另外波长范围的热射线则表现出非透射性例如 石英对波长大于4 m的红外线是不透明体 对可见光和紫外线则是透明体 温室效应的原理 6 4 2实际物体对投入辐射的反应4物体的透射特性 气体 不考虑其反射作用当辐射能投射到气体上时 在穿透气体的过程中被吸收一部分 参与性气体 如CO NO等非对称性双原子气体和像NO2 CO2 SO2 SO3 H2O等多原子气体 均具有一定的吸收能力 6 4 2实际物体对投入辐射的反应4物体的透射特性 非参与性气体 对辐射能的吸收作用也很弱 可以认为 0 是辐射的透明体 工程常见的温度范围内的非参与性气体 单原子气体和对称型双原子气体 6 4 2实际物体对投入辐射的反应4物体的透射特性 参与性气体辐射的两个特点 1 气体的辐射和吸收对波长有明显的选择性 只在某些波长区段内具有辐射能力 相应地也只在相同的波长区段内才有吸收能力 通常将这些波长区段称为光带 bands 6 4 2实际物体对投入辐射的反应4物体的透射特性 光带以外 气体既不辐射也不吸收 呈现透明特性气体的辐射光谱和吸收光谱是不连续的 6 4 2实际物体对投入辐射的反应4物体的透射特性 2 气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的 当辐射能投射到气体界面上时 辐射能穿过气体界面进入气体层 并在透过气体层的过程中不断被气体吸收 最后只有部分能量穿透整个气体层 当气体层对某一界面辐射时 是整个气体层中各处气体对该界面辐射的总和 6 4 2实际物体对投入辐射的反应4物体的透射特性 上节课 6 4 1实际表面辐射的发射特性1实际表面辐射的波长特性2实际物体的辐射力 引入发射率 解决了实际物体辐射的计算3实际表面辐射的方向特性 对大多数工程材料 在红外辐射波段内 看作是漫射表面 上节课 6 4 2实际表面对投射辐射的反应1 反射特性 镜反射 漫反射 一般工程材料的表面均可看作是漫反射表面 尤其在一般工程温度下的红外辐射波段内 上节课 6 4 2实际表面对投射辐射的反应2 透射特性 一般的固体和液体是不透明的 气体 非参与性气体 透明的 参与性气体 有吸收和发射 气体辐射的特点 吸收与辐射均有选择性 在整个体积内进行的 上节课 6 4 2实际表面对投射辐射的反应3 吸收特性 与自身因素有关 与投射辐射的波长有关 物体的吸收有选择性 与投射辐射的来源有关 物体的辐射特性 吸收特性 发射特性 问题 同一表面的这两种性质有无联系 黑体 发射率 反映物体发射辐射能能力大小 吸收比 反映物体吸收辐射能能力大小 实际物体是否也有这样的关系呢 6 4 3基尔霍夫定律 简单情形分析 两平行平板间的辐射传热 板2净损失的能量为 板1是黑体 板2是实际物体 6 4 3基尔霍夫定律 两板处于热力学平衡状态 基尔霍夫定律 6 4 3基尔霍夫定律 基尔霍夫定律的表述 热平衡条件下 物体的辐射力与其吸收比的比值等于相同温度下黑体辐射力 热平衡条件下 物体的发射率 黑度 等于它的吸收比 6 4 3基尔霍夫定律 基尔霍夫定律的两条有用的结论 1 善于辐射的物体必善于吸收 反之亦然 2 相同温度下黑体的辐射力最大 6 4 3基尔霍夫定律 对漫射表面的全球向光谱辐射和吸收 重复上述推导过程可以得到针对半球向光谱特性的基尔霍夫定律 此时 保持板2的温度不变 如果投射辐射不是来自黑体 系统也不处于热平衡 它成立吗 对漫射表面 此式无条件成立 6 4 3基尔霍夫定律 对半