工程热力学与传热学热工学第12章Radiation-Heat-Transfer

Chapter12RadiationHeatTransfer， raditionsityernergingedbymetrintheforelectromagnetcwaves (or photons ) asassconfortitthehangesheelectronicconfigurationsofthehatmormolecules.unikeconductionandconvection电影院ransferofeenergybyra epresencefaninterveningum.infact energytransferbyradiationisfastest (atthespedoflight ) anditsuffersnoattentiuationnavacuum.thisishowtheergyofthesunreasonthesearth.inheattransferstuiesweareinterestedinthermradiat eformationedbyboiesbecauseofheirtemprerature.itdiffersfromotherfsofterelectrommentagrationcadiationsuchasx-rays，gammarays，gammarays andtelvisionwaveswerthatheronrettttotemperature.albodiestatemproteratureabeveabesbesbesetzeroemitthermalradiation . radiationisavolumetricphenomenon，andallsolids，liquids，andgasesemit，absorb， ortransmitradiationtovarydegrees.however radiationisullyconsidedtobeasurfacephenomeonforsolidsthatareopaquetthermalationsuc wood andockessincenterationetheinterrorrregisonsfosuhamhiticallancerrrearrechesurface andtheradiationindindentthbodiesisul icronsfromthesurface .主要内容是12-1热辐射的基本概念12-2热辐射的基本规律在日常生活中散热的例子也随处可见。 例如，(1)在你接近火的时候，面对火的面比背面感觉更热的冬天的夜晚，在有窗帘的房间里，感觉比没有窗帘时更舒适(3)太阳能传到地面的冬天，蔬菜大棚内的空气温度在0以上，但地面有可能结冰。 目的： (1)认识热辐射的性质；(2)掌握黑体辐射的基本传递规律；(3)理解气体辐射的过程；(4)掌握散热热交换的基本研究方法和过程；12-1散热的基本概念；1 .散热特征；(1)定义： (2)由特征、热运动产生并作为电磁波传递的能量，a b辐射热交换过程伴随能量形式的二次转换。 c任何物体，当温度超过0K时，其周围空间的热辐射不停地交换是物体间相互辐射和吸收的总效果。 物体与环境处于热平衡时，其表面热辐射不断进行，但其辐射热交换量等于零。 电磁辐射包括多种形式，我们感兴趣的是工业上有意义的散热区域一般为0.1-100m。 图12-1电磁辐射光谱、2 .电磁波光谱、红外线有近红外和远红外成分，大致以25m为边界。 波长在25m以下的红外线称为近红外线，25m以上的红外线称为远红外线。 发展于20世纪70年代初期的远红外线加热技术，利用从远红外线放射元件放射出的以远红外线为主的电磁波来加热材料。 微波炉利用远红外线加热物体。 远红外线可以透过塑料、玻璃、陶瓷制品，但是被具有水这样极性分子的物体吸收，物体内部产生内部热源，物体被比较均匀地加热。 由于各种食品的主要成分是水，远红外加热是比较理想的加热手段。 此外，如图2所示，用Q、Q、Q表示总的投影放射量，则在式中，、分别为吸收率、反射率和透射率。大多数固体和液体：不含粒子的气体：黑体：镜体或白体：透明体：图2的物体是热辐射的吸收反射和透射，3 .物体是热辐射的吸收反射和投影，黑体，白体和透明体是假定的理想物体，absorptivity、reflectivity、andtransmissivity， 反射、镜反射和扩散反射两种，如图3和图4所示，放射强度Radiantintensity朝向物体表面所在的方向，是垂直于该方向的每单位面积、每单位时间发射的全波长的能量。 单色放射强度I、solidangle、放射力Emissivepower、放射力是放射物体的单位表面积在单位时间内放射到半球空间的全波长的能量，也称为半球总放射力。 用e表示，(W/m2 )、放射力和单色放射强度的关系、放射力、在某波长处在波长d的范围放射的能量称为单色放射力。 在单位时间、单位波长的范围内，物体的单位表面积向半球空间放出的能量。 也称为半球单色放射力。 (W/m3 )明显，e和E之间有以下关系：1.黑体概念Blackbody黑体：指能够吸收在其表面所投入的所有热辐射能量的物体，是科学上虚拟的物体，不存在于现实生活中。 但是，如图5所示，可以人工地制作模拟的人工黑体。 12-2辐射的基本规律，黑体辐射的三个基本规律和相关性质，式中，-波长，m； t-黑体绝对温度，k； c1-第一辐射常数，3.74310-16Wm2； c2-第二辐射常数，1.438710-2mK； 图12-6是基于上述公式描绘的黑体光谱辐射力的波长与温度之间的依赖关系。 某温度下的Eb有最大值，对应的波长为m，m和t的关系由周Wien位移定律给出，Planck定律(黑体辐射的第一基本定律)是黑体辐射能量的频谱特性，即黑体辐射力Eb， (2)史蒂芬波兹曼定律Stefan-Boltzmannlaw (黑体辐射的第二基本定律)显示了黑体辐射力e和热力学温度的依赖关系。 式中，0=5.6710-8W/(m2K4)是黑体辐射系数。 黑体的放射力与绝对温度的4次方成比例。四次方定律、例题：黑体表面放在室温27的现场。 在热平衡条件下求出黑体表面的辐射力。 如果将黑体加热到327，放射力会达到多少？解：热平衡条件下，黑体温度与室温相同，等于27。 根据四次方定律，辐射力为：327黑体辐射力为：黑体辐射力与热力学温度的四次方成比例，因此，辐射力随着温度的升高而急剧增大。 在上述例子中，可知温度T2只是T1的2倍，但放射力的比高16倍。 (3)朗贝尔馀弦Lanbert定律(黑体辐射的第三基本定律):显示了黑体辐射与立体角的关系。 实际物体的放射力和同温度黑体的放射力之比称为该物体的黑度(或放射率)。 4基尔霍夫定律(实际物体和灰体的辐射)、实际物体的单色辐射力和同温度黑体的单色辐射力之比被称为该物体的单色黑度(或单色辐射率)。 物体单色的黑色度不随波长变化的物体叫灰体。 灰体：指与单色黑度和波长无关的物体，辐射和吸收辐射与黑体形式完全相同，只是减少了相同的比例。 自然界中不存在灰，只是虚拟物体。 灰体放射力的计算：基尔霍夫定律，物体的放射能力和它吸收放射能力的关系。 基尔霍夫定律反映了实际物体的发射和吸收的关系。 Semi-transparentmedium在热平衡条件下物体某一方向的单色黑度等于该单色的吸收率。 以相同温度为前提，物体的辐射力越大，其吸收率也越大。 因为所有物体的吸收率总是小于1，所以在相同温度条件下黑体的辐射力为最大。基尔霍夫定律的一些结论是，对于灰体，(1)=常数(2)投入辐射不管是否来自黑体，其吸收率都等于同温度下的黑度。 第三节辐射热交换计算，物体的表面尺寸、形状和位置的相对位置称为空间热电阻，辐射热交换的热电阻有两个方面：辐射力不比黑体大，称为表面热电阻。 黑体间的辐射热交换，把来自表面1的辐射能量中落到表面2的能量所占的百分比称为表面1对表面2的角系数。 第四节气体辐射、气体辐射的特征、不同的气体、辐射和吸收能力不同。 与单原子气体对称结构的二原子气体，例如O2、N2、H2等被认为是透明体. CO2、H2O等多原子气体和CO等结构不对称的二原子气体，具有很大的辐射力和吸收率。 气体辐射对波长有选择性，不能是灰体。 第四节气体辐射、气体辐射的特征、固体辐射和吸收在薄表面上进行，气体辐射和吸收在气体容积整体上进行，与气体容器中的分子数和容器的形状和容积有关。 例题：为什么在保温瓶夹层玻璃表面镀反射率高的材料？抽真空的目的是什么？回答： (1)在保温瓶夹层玻璃表面涂上反射率高的材料，可以反射辐射的能量，减少辐射传热。 (2)三明治抽真空的目的是减少热传导和对流热传导。 例题：为什么大气中的CO2含量增加，地球温度上升？a:co2气体对热辐射波长有选择性的辐射和吸收。 其光带都位于红外区域，对太阳辐射呈透明体的性质，对放射到地球表面的红外波长有吸收作用，阻碍了地球的热辐射进入宇宙，起到了“温室效应”的作用，地球的气温上升。 我们来说明一下绿色温室效应、蔬菜大棚温室效应的传热学原理吧。 答：塑料薄膜对热辐射具有选择性透射特性，对太阳的短波辐射透射率高，对蔬菜的长波辐射不透明，因此太阳光照射会产生温室效应。 对玻璃屋的保温也是如此。 thesurfcoaceoftearth， whichwarmsupduringthedayasaresulttonftheabsorptionofsolarisenergy coolsddownotightbyradingingindoteeepaspacesasinfrarydration co2andwatervaporintheatmospheretriansmitthebulkothesolarar diationbutabsorbtheinfrareddriationetdbythesurfaceoftearth.thus ther gytrappedearthwillevelentuseglobalwarminghsdrasticchangesinweatherpatterns.inhumidplacessuchascoastalareas thereisnotalargech nighttimetemperatures， becauseehethidityactsabab