备课_热量传输(Chapter_10)-3rd

1、第十章辐射换热,主要内容： 辐射的基本概念及基本定律； 黑体及实际物体的辐射换热计算方法； 气体的辐射特点。,10.1 辐射换热基本概念,一、热辐射和辐射换热： 辐射：物体中分子或原子受到激发以电磁波的方式释放能量的现象，电磁波所携带的能量为辐射能。 热辐射：由于物体内部微观粒子热运动状态改变，而将物体的热能转化为电磁能向外发射的过程。是热量传递的三种方式之一。,本质：电磁波辐射。(红外线和可见光辐射),热射线：热辐射产生的电磁波叫热射线，波长在 0.1-100m之间，理论上为0-。,0.1-0.38m 紫外线； 0.38-0.76m 可见光； 0.76-100m 红外线,辐射换热：物体之间的

2、相互辐射和吸收过程的总效果。 辐射换热特点： （1）无须物体间的接触，可在真空传播； （2）绝对温度在0(k)以上的物体均在不断的向外辐射能量，即使两物体的温度相同，亦是动态平衡； （3）辐射换热伴随有能量形式的转化（即物体的部分内能转化为电磁波能发射出去，当被另一物体吸收后，又转化该物体的内能）。 （4）导热和对流传热其热流流量一般与温度的一次方成正比，而辐射传热的热流量通常与绝对温度的四次方之差成正比，因此温差对辐射换热的影响更明显。 （5）物体的发射和吸收特性不仅与自身温度和表面状况有关，而且还随发射的波长和方向而异。,、物体对热射线的反应 同可见光一样，热射线投射到物体上后也是吸收一部

3、 分，反射一部分，透射一部分。 q：投射到物体表面上的总能量。 qa：被物体吸收的能量 q：被物体反射的能量 q：被物体透射的能量,能量守恒定律：,物体的辐射吸收率,物体的辐射穿透率,物体的辐射反射率,当物体将投射到其表面上的能量全部吸收时，即=0 ； =1 时，叫理想黑体，简称黑体。 当物体将投射到其表面上的能量全部反射时，即=0 ：=1时，叫理想白体，简称白体。 当物体将投射到其表面上的能量全部透射时，即 =0, =1，叫透热体。,影响吸收、反射和透射的因素：物体的性质、温度、表面状况和热射线的波长。,热射线穿过固体或液体表面后，很短距离内就被吸收完了。,同可见光一样，辐射能的反射有镜反射

4、和漫反射两种，当物体表面十分光滑时，就形成了镜面反射，即入射角等于反射，如高度抛光的金属等。 如果表面粗糙，即当粗糙度大于波长时，反射即为漫反射。可理解为辐射能被物体吸收后又辐射出来。,10.2 黑体辐射,一、黑体 、都是无因次量，其数据在0-1之间。大小与物体的特性、温度及表面状况有关。 =1时的物体为绝对黑体，可以全部吸收各种波长的辐射能。自然界没有绝对黑体，人工方法可制造黑体腔。,吸收比小于1材料 空腔表面开一小孔 空腔表面温度均匀 小孔吸收比大于0.996,1. 辐射力e 单位时间，单位表面积向半球空间辐射出的全部 波长（0-）范围的总能量。单位 ：w/ 表示物体辐射本领的大小 2.

5、单色辐射力e 单位时间，单位面积向半球空间辐射出的某特定波长的能量。单位： w/m3,二、辐射力和辐射强度,三、发射率（黑度） 黑体是理想发射体，可以发射出所有波长的辐射能，它的辐射能力是在给定温度下所能达到的最高值。 黑度：实际辐射能力与黑体辐射能力的比值。,实际物体辐射力,黑体辐射能力,实际物体的黑度，,10.3 辐射的基本定律,一、普朗克定律,普朗克定律表明了黑体辐射能按照波长的分布规律，即黑体单色辐射能力eb随波长和温度的变化关系。,w/ (m) 或w/m,式中： ：波长m ；t：黑体绝对温度k； c1：普朗克第一常数，c1=2hc2；c=3108 m/s； h：普朗克常数，h = 6

6、.62510-34 j s； c1 = 3.74310-16 wm2 c2：普朗克第二常数，c2 = hc/k ；k=1.3810-23 j/(molk) c2= hc/k =1.43910-2 mk,黑体的eb随波长和温度的变化,从普朗克曲线图有： 黑体辐射随波长连续变化，先增加后减小，在=0和=时，eb=0。且有一峰值。 随着温度的升高，黑体的单色辐射力和辐射力迅速的增加。 随着温度的增加，黑体的最大单色辐射力左（短波长方向）移。当t小于2000k时，辐射能集中于红外区域。 某一温度下曲线与横轴之间的面积为该温度下的总辐射力。,二、维恩位移定律,最大单色辐射能力的波长m和绝对温度t遵守以下

7、关系式：,从黑体单色辐射能力的波谱分布中获得m后，可根据维恩定律计算出黑体的温度；或根据辐射表面温度，推算出辐射能的主要组成部分属于何种波长。,可据钢坯的颜色来判断其温度，钢坯在加热过程中当：无变化：低于500、 暗红：600左右、 鲜红：800-850左右 桔黄：1000左右 白炽：1300左右,例题：分别计算温度为2000k和5800k的黑体的最大单色辐射力所对应的波长m,（红外区段）,（可见区段）,三、斯蒂芬-波尔茨曼定律,式中：b：斯蒂芬-波尔茨曼常数， b = 5.6710-8 w/(k4),斯蒂芬-波尔茨曼定律亦可表示成：,黑体的辐射系数c0 =5.67 w/(k4),黑体的辐射力

8、与其热力学温度的四次方成正比。,例题1：一黑体放置在温度为27 的厂房中，试求在热平衡条件下黑体表面的辐射力，如将黑体加热到327 ，它的辐射力又是多少？,例题2：如图所示，一个封闭大型空腔上开有一个直径为10mm的小孔，整个空腔表面保持均匀一致的温度1200k。试求小孔辐射力及热流量？最大辐单色辐射力及其所对应的波长？,视为黑体,四、基尔霍夫定律,非黑体平壁放出的辐射能e完全被黑体平壁吸收，而黑体平壁放射出的辐射能eb只能被非黑体平壁吸收 eb。 q=e- eb 在体系处于热平衡时（t=tb，q=0），任何物体的辐射力和吸收率之比值等于同温度下黑体的辐射力，而比值的大小只与温度有关，即：,物

9、体的辐射力和吸收率成正比，吸收能力大的物体其向外辐射能的能力也强；善于辐射的物体也善于吸收同温度下黑体的辐射能； 各种物体以黑体的吸收率最大，即ab=1，相同温度下黑体的辐射能力最强； 在热平衡条件下，任意物体对黑体辐射的吸收率等于同温度下该物体的黑度。,平面角（以弧度为单位） 空间微元体立体角的定义为： 球面上微元面积dfs与半球半径之比， 为微元面积dfs所张的微元立体角， 单位球面度（sr）。,dfs,五、兰贝特定律,五、兰贝特定律,揭示了黑体的辐射能在空间的分布规律。 定向辐射强度ip： 在单位时间内从单位可见辐射面积向某一方向 的单位立体角内所发出的辐射能。,空间微元立体角，单位球面

10、度（sr）,：df向微元立体角 发出的辐射能,df：球心o处微元面积，为辐射面；球面上微元面积dfs为接收辐射面； 为dfs对df的方向,黑体的定向辐射强度在半球各个方向上都相等，与方向无关。ip=im=in=i,对黑体：,余弦定律：黑体单位面积（df）发生的辐射能落到空间不同方向单位立体角（d）中的能量值，与该方向同表面法线之间的夹角（ ）的余弦成正比。,当物体遵守兰贝特定律时，辐射力是任何方向上定向辐射强度的倍。 黑体的三个基本定律分别介绍了黑体的辐射力与波长、温度、及能量按空间的分布规律。,物体辐射力e,10.4 实际物体的辐射,一、实际物体的辐射特性,实际物体的单色辐射力随波长的变化是

11、不规则的，且比黑体的单色辐射力小。黑体的单色辐射力随波长连续光滑变化。,黑度：实际物体的辐射力与黑体的辐射力之比：,小于1，越大，越接近于黑体 。,单色黑度 ：实际物体的单色辐射力e与同温度下黑体的单色辐射力eb的比值。,定向黑度 ：实际物体的方向辐射力与同温度下黑体的方向辐射力的比值。,实际物体的辐射力计算：,实际物体的辐射力并不是与其绝对温度的4次方成正比，误差在其黑度中修正，即黑度是温度的函数。,黑度影响因素：,材料的物理性质；非导电材料的黑度大于导电材料黑度 表面粗糙度； 明显影响的是光学粗糙度/，成正比。 当/0.1-0.2时，表面的反射为镜反射，黑度小。 温度的影响较为复杂；,对于

12、金属： 当波长小于5m时温度增加黑度减小，对 大于5m的波长时， t. 非金属：t，。一般情况下非金属的黑度大于金属的黑度，一般在0.85-0.95之间。 表面氧化层； 可理解为氧化层的形成，改变了粗糙度增加了黑度，常温下金属的黑度为0.2-0.4，在高温下加热半小时可达到0.8。 波长 对于金属： ， 非金属： ， ,二、实际物体的吸收特性,实际物体的吸收率除了与自身的表面性质和温度有关外，还与投入辐射的波长和方向有关，而投入辐射的波长又与其本身的性质和温度有关，所以实际物体的吸收率的确定是很困难的。,：实际物体对某一特定波长辐射能吸收的百分数称为单色吸收率。,实际物体对不同波长辐射能的单色

13、吸收率是不同的。,三、灰体,灰体：单色吸收率和单色黑度与波长无关的物体。,即灰体的吸收率和黑度只与其自身的条件有关，而与投射物体无关（不管透射辐射能在波长上如何分布，物体对透投射辐射的总吸收比为常数）；其单色辐射力与波长的变化规律同黑体的是相似的，是一种理想化的物体。,根据基尔霍夫定律可知，只有当实际物体与黑体处于热平衡时吸收率等于发射率才严格成立。但是在实际的辐射传热计算中，一般是实际表面间进行辐射传热，更不会处于热平衡。因此，还需要对实际物体吸收辐射的性质做进一步简化，从而引入灰体概念。,大多数的工程材料都可看成是灰体，可以利用基尔霍夫定律来确定其吸收率。灰体的吸收和辐射的规律与黑体完全相

14、同，只是数量级上有差别。,黑体,灰体,实际物体,10.5 黑体间的辐射换热,黑体表面对投射的辐射能是完全吸收的。,一、开放的两黑体表面间的辐射换热,（1）表面 i 对表面 j 的角系数 ：,因此有：,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。,由辐射强度定义、黑体服从兰贝特定律和微元立体角定义得到：,积分q1,2、 q2,1得到：,由df1投射到df2上的辐射能dq1,2为：,（2）角系数表达式：,并可推导出：,表明两个表面在辐射换热时的角系数相对性。角系数是几何因子决定的无量纲数只与物体的形状、尺寸和位置有关，与物体的温度和辐射特性无关，与表面间是否

15、处于辐射平衡（辐射传热量为）无关。因此对黑表面得到的角系数性质也可应用于灰表面。,上式与欧姆定律比较；分子为辐射势差，分母为阻力，这里将 1/ (f11,2) 叫空间热阻。这是因为表面1发出的热量不能全部落在表面2上，相当于有了一个热阻，而这种阻力只与表面的几何因素和距离有关，故叫空间热阻。,（3）两表面间的净辐射换热量：,在多表面封闭系统中，对某一表面而言，其净热流量总和是与其他每个表面间净换热流量的和。,（4）角系数的性质：,相对性,由角系数的积分式可知：,完整性,对于由n个表面组成的封闭空间据能量守恒原理，某一个表面发出的总能量等于发射到每一个表面的能量之和，即：,可加性,只有对角系数符

16、号中第二个角码是可加的，对第一个角码则不存在类似的关系。,从表面i落到表面j上的总能量等于落到表面j上各部分的辐射能之和，如果把表面j分割成许多小块，则有,离开表面j直接落到表面i上的能量仍然等于离开j1,j2,j3落到i上的能量之和。,角系数曲线图：,（5）角系数的确定方法：,f2,f1,（积分法、曲线法、代数法）,例题：已知两个平行的黑平板，如图所示，平板1的温度为1000，平板2的温度为500 ，求这两块平板间的净辐射换热量是多少？,1,2 =0.285，18.33kw,可自见面：如果表面发出的热射线（辐射能）能落在自己表面上。如凹面。 不可自见面：如果表面发出的热射线（辐射能）不能落在

17、自己表面上。如平面和凸面，不可自见面对自己的角系数为0。由角系数的相对性和完整性规律得：,(a):,(b)+(c):,(d):,角系数代数法：,(e)：如由不可见自面表面f1、f2、f3组成的封闭系统，假定在垂直图面方向上无限长，从系统两端开口处逸出的辐射能忽略不计。,完整性： 1,2 f1+ 1,3f1 = f1 2,1 f2+ 2,3f2 =f2 3,1 f3+ 3,2f3 = f3 相对性 1,2 f1 =2,1 f2 1,3f1 = 3,1 f3 2,3f2 = 3,2f3,例题1：确定如图所示的表面1对表面2的角系数1，2,角系数可加性：,查图得：,根据角系数相对性得：,例题2：确定

18、如图所示的表面1对表面2的角系数1，2,角系数可加性：,查图得：,角系数可加性：,查图得：,由,（f）拉线法确定两表面间角系数：,两个可以相互可得见的非凹形表面，在垂直于纸面方向上无限长，面积分别为a1和a2，求1对2的角系数。,10.6 灰体间的辐射换热,对于灰体，辐射到灰体表面的辐射能不能被全部吸收，一部分辐射能被发射出去，因此在灰体表面的辐射换热中，存在着辐射能的多次吸收和反射过程，较黑体系统复杂。,一、有效辐射和投入辐射,本身辐射 e 单位时间，单位表面积发出的辐射能叫物体的本身辐射，即物体的辐射力。w/ 投入辐射g 单位时间，投射到单位面积上的辐射能。w/ 反射辐射g 单位时间，单位

19、面积反射出的辐射能。即物体表面对投来辐射的反射。 w/,从外部来看：物体与外界的净交换的热量q为： q=（ j g）f （有效辐射j与投入辐射g之差） 从内部来看：物体与外界的净交换的热量为： q= (e ag)f= ( eb ag) f,吸收辐射ag 单位时间，单位面积吸收的辐射能。即物体表面对投来辐射的吸收。 w/ 有效辐射 j 单位时间，单位面积辐射出的总的能量。包括两部分：自身辐射和反射辐射。 w/,即： j = e + g =eb + (1-a) g,联立求解，消去g，得到：,当处于热平衡状态时， a = ，则：,有效辐射势,表面热阻：如果是单位面积的热阻叫单位热阻它仅与表面的性质有

20、关。当表面为黑体时，则表面热阻为零；如果物体不是黑体，相当于有一个热阻。,二、两个无限大平行平板间的辐射换热,两个无限大的灰体平行平板,平板表面1的有效辐射j1等于图（a）和（b）中离开表面1的全部箭头所表示的辐射能的总合，因此有：,同理，表面2的有效辐射j2为：,当两个平板无限大时： 表面2的有效辐射即为它对表面1的投入辐射，即g1=j2，同理g2=j1。,两平板之间的辐射换热净热流密度q1,2等于表面1的有效辐射j1和投入辐射g1的差，即：,黑体换热量：,辐射换热系统的系统黑度：指在其他条件相同时，灰体间的辐射换热量与黑体间的辐射换热量之比。,灰体辐射换热系统的系统黑度：,例题：液氧存储容

21、器为双壁镀银的夹层结构（如图），外壁内表面温度tw1=20，内壁外表面温度tw2=-183，镀银壁的发射率=0.02。试计算由于辐射传热每单位面积容器壁的散热量？4.18 w/m2 如果不采用抽真空的夹层，而是采用在容器外敷设保温材料的方法来绝热，取保温材料的导热系数0.05w/mk，则所需保温材料壁厚应多厚？2.43m,解：夹层间隙很小可认为属于无限大平行板间的辐射换热问题。,三、遮热板,如图所示，在两平行板间加入遮热板。 无遮热板时，两平板之间的辐射换热量：,减小辐射传热损失的措施： 采用低黑度的材料；（高反射率的材料） 降低温差； 减小面积； 在表面间增设遮热板，增加系统的热阻。,加遮热

22、板时，平板2与遮热板3之间的辐射换热量：,加遮热板后，稳定传热时 则两平行板之间的辐射换热量为：,加遮热板时，平板1与遮热板3之间的辐射换热量：,遮热板原理的应用：,热电偶测温误差确定：,p233例题,如果采用黑度较小的隔热板，则可大大降低辐射换热热流量。,当 时，,加遮热板后，两平行平板间的辐射换热量为无遮热板时的辐射换热量的一半，当加入n块时，且各平板的黑度相同，则辐射换热量减少到没有遮热板时的1/(n+1)。,10.7 辐射换热的网络求解法,网络求解法是根据热量传输与电量传输的相似性，把辐射换热系数模拟成相应的电路系统，借助电路的理论求解辐射换热的方法。,一、表面辐射热阻,表面热阻,表面

23、网络单元,由于表面为非黑体而形成的热阻，它反映表面接近黑体的程度。,有效辐射势,表面热阻,二、空间辐射热阻,对于任意位置的两个面积各为f1和f2的灰体表面间的辐射换热热流q1,2，它应为f1面发出的有效辐射能中能投射到f2面上的一部分f11,2j1，减去f2面上发出的有效辐射能中能投射到f1面上的一部分f22，1j2的差值。,空间辐射热阻：反映两表面间有效辐射能力差异的大小。,黑体：,空间热阻,空间网络单元：,表面网络单元和空间网络单元是辐射网络的两个基本部分，将它们以不同的方式联结起来，就构成各种辐射换热场合的辐射网络。,三、多表面间的辐射网络,两灰体表面面积f1、f2，温度t1、t2，发射

24、率为1、2，有效辐射为j1、j2，两表面间的辐射换热q1,2计算公式：,辐射势差,总热阻为两个表面热阻和一个空间热阻串联之和,表面1失去能量,表面2得到能量,两表面换热量,能量守恒,两个灰体表面间的辐射换热量等于灰体温度之间的两个黑体本身辐射之差除以系统的总热阻。,系统的总黑度：,两表面间辐射换热网络：,两个表面热阻和一个空间热阻串联起来的等效电路,利用相似原理还可以得到三个表面和四个表面之间的辐射换热网络，然后可分别结算每个表面与其它各表面间的辐射换热。,从图中可以计算出每两个表面间的辐射换热量及每个表面在整个换热系统中净交换的热量。但必须解出j的值。即用稳定态传热时，汇入节点的热流量之和为零 。,三个表面间辐射换热网络,辐射网络中，流入任何一个节点的热流量之和为0，对三个节点j1、j2、j3列出三个节点方程式：,几种简化情况： 有一个表面绝热： 假定f3 绝热时有：q3 = 0 ，即：eb3 =