传热学_辐射部分

1、公司公司徽标徽标传热学传热学 辐射换热部分辐射换热部分第八章第八章 热辐射的基本定律热辐射的基本定律 本章内容要求 重点内容： 认识热辐射的本质与特点； 理解热辐射的基本定律，即普朗克定律、斯蒂芬-波尔兹曼定律、兰贝特余弦定律和基尔霍夫定律。 掌握内容：热辐射的特点和基本定律。 讲述基本的内容：热辐射的本质和特点，物体对热辐射的吸收、反射和穿透及其定向辐射强度和定向辐射力的概念，理解热辐射的四个基本定律。8.1 基本概念基本概念 首先介绍热辐射的本质和特点。 热辐射热辐射是指由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量。物质由第八章第八章 热辐射的基本定律热辐射的基本定律 分子、原子、电子等基本粒子

2、组成，当原子内部的电子受激和振动时就会产生交替变化的电场和磁场，发射电磁波向空间传播，因此发射辐射能是各类物质的固有特性。能量传递的方式有电(或磁)、热、力等，热辐射仅是辐射能中的一种。 电磁波谱电磁波谱 电磁辐射包含了多种形式(见下图)，其中我们所感兴趣的(工业上有实际意义的)热辐射区域一般为0.1100m。第八章第八章 热辐射的基本定律热辐射的基本定律 各种电磁波在介质中的传播速度等于光速，电磁波的传播速度：c=f，量子理论认为辐射是离散的量子化能量束，也就是光子传播能量的过程，光子的能量e与频率f可表示为普朗克公式：e=hf；其中h为普朗克常数，h=6.6310-34Js。 热辐射的本质

3、决定了热辐射特点热辐射特点l 任何物体只要温度高于0K，不停地向周围空间发出热辐射；即使各个物体温度相同，物体发射和吸收的辐射能相等(动态平衡)。l 可以在真空中传播；l 伴随能量形式的转变；l 具有强烈的方向性；l 辐射能与温度和波长均有关；l (黑体)发射辐射取决于温度的4次方。第八章第八章 热辐射的基本定律热辐射的基本定律 物体对热辐射的吸收、反射和穿透物体对热辐射的吸收、反射和穿透 当热辐射投射到任何物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透。 + + = +=1 其中：= /称为物体的吸收比； 为反射比； 为穿透比。 对于大多数的固体和液体： =0， +=1； 对于不含颗粒

4、的气体： =0， +=1； 对于黑体： =1； 镜体或白体： =1； 透明体： =1； 如果投射能量是某一波长下的能量，同样有+ =1；其中、和分别为光谱吸收比、光谱反射比和光谱穿透比。第八章第八章 热辐射的基本定律热辐射的基本定律 自然界中并不存在绝对的黑体、白体和透明体，只是实际物体的理想模型，而且黑体、白体和透明体都是对全波长而言。在一般温度下，可见光在全波长射线中只占有一小部分，因此物体对外来射线吸收能力的高低不能单凭物体的颜色。如雪对可见光是良好的反射体(肉眼看起来是白色的)，但对红外线却几乎全部吸收(接近黑体)；白布和黑布对可见光的吸收比不同，但对红外线的吸收比却基本相同；普通玻璃

5、对A1且2较大，如车间内的采暖板、热力管道，测温传感器等都属于此种情况。 讨论讨论：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20，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？44()sbATT11112211AAs1 22 1XX，11112211AAs1 21112()bbA EE，1s第九章第九章 辐射换热计算辐射换热计算 多表面系统辐射换热的计算多表面系统辐射换热的计算 势差与热阻：据有效辐射的计算式 又两个表面的净换热量 11(1)bEJqEq1bEJq1bEJA 或1,21 11,2222,111,212(

6、)AJ XAJ XAXJJ121,211,2()1JJA X第九章第九章 辐射换热计算辐射换热计算 则 和 分别代表辐射换热的空间热阻和表面热阻，其中Eb相当于电源电势，而J 则相当于节点电压，则两个辐射热阻的等效电路如图所示 利用上述两个单元格电路，可以容易地画出组成封闭系统的两个灰体表面间辐射换热的等效网络（a） 表面辐射热阻bE1AJ（b） 空间辐射热阻1J1 2，2, 111XA2J1A11,21A X1bE1111A2J1J2bE2221A2, 12, 11XA第九章第九章 辐射换热计算辐射换热计算 根据等效网络，可以立即写出换热量计算式 这种把辐射热阻比拟成等效的电阻从而通过等校的

7、网络图来求解辐射换热的方法成为辐射换热的网络法辐射换热的网络法。 应用网络法求解多表面封闭系统辐射换热问题的步骤：l 画出等效的网络图；l 列出节点的电流方程；l 求解上述代数方程得出节点电势；l 按公式 确定每一个表面i的净辐射换热量。 比较比较i、j 与与i,j的区别？能否的区别？能否i,j =Ji-Jj?l 计算表面i、j的辐射换热量i,j上式。12121111,222111bbEEAA XA 1biiiiiiEJA 第九章第九章 辐射换热计算辐射换热计算 网络法的应用举例网络法的应用举例 以图(a)所示的三表面的辐射换热问题为例画出图(b)的等效网络图 两个重要特例两个重要特例l 有一

8、个表面为黑体。黑体的表面热阻为零。其网络图见图a；l 有一个表面绝热，即该表面净换热量为零。其网络图见图b和c。(a)由三个表面组成的封闭系统(b)三表面封闭腔的等效网络图第九章第九章 辐射换热计算辐射换热计算第九章第九章 辐射换热计算辐射换热计算 辐射换热的强化与削弱辐射换热的强化与削弱 强化辐射换热的主要途径有两种：l 增加发射率；l 增加角系数。 削弱辐射换热的主要途径有三种：l 降低发射率；l 降低角系数；l 加入遮热板(提高热电偶的测量精度)。 遮热板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。 为

9、了说明遮热板的工作原理，我们来分析在平行平板之间插入一第九章第九章 辐射换热计算辐射换热计算 块薄金属板所引起的辐射换热的变化。假设辐射表面和金属板的温度、吸收比如图所示。为讨论方便，设平板和金属薄板都是灰体，并且 1=2=3= 稳态时有 可见与无遮热板时相比辐射换热量减小了一半。 这说明遮热板层数越多，遮热效果越好。在实际应用中常选用反射比较高的材料(如铝箔)作遮热板，因3要远小于1和2，此时的遮热效果更佳。另外在一些要求不影响人视线的地方，选用能透过可见光而不透过长波热辐射的材料(如塑料薄膜、玻璃etc.)。遮热板2 , 33 , 12 , 1212 , 1232 , 3313 , 1)(

10、21)()(qqqEEqEEqEEqbbsbbsbbs第九章第九章 辐射换热计算辐射换热计算9.3 气体辐射气体辐射 本节将简要介绍气体辐射的特点、换热过程及其处理方法。在工程中常见的温度范围内，对于单原子气体和某些对称型双原子气体如O2、N2、H2等的辐射和吸收能力都很弱，而CO2、H2O和SO2具有很强的吸收和发射热辐射的本领，也是本节采用这两种气体作为例子的原因。 气体辐射的特点气体辐射的特点l 气体辐射对波长具有选择性。它只在某谱带内具有发射和吸收辐射的本领，而对于其他谱带则呈现透明状态；l 气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的，因而气体的发射率和吸收比还与容器的形状和容积大小有关。

11、因此气体的光谱吸收比可表述为 ,g=f(T, p, s)。第九章第九章 辐射换热计算辐射换热计算 CO2和H2O主要吸收光谱图 气体辐射的衰减规律气体辐射的衰减规律( (气体吸收定律气体吸收定律) ) 当热辐射进入吸收性气体层时，因沿 途被气体吸收而衰减。为了考察辐射 在气体内的衰减规律(右图)，我们假 设投射到气体界面x =0处的光谱辐射第九章第九章 辐射换热计算辐射换热计算 强度为I,0，通过一段距离x后强度减弱为I,x。再考虑通过微元气体层dx后，其衰减量为dI,x 可表示为 dI,x =-KI,x dx 式中负号表示吸收，K为光谱衰减系数m-1，取决于气体的种类、密度和波长。 对上式进

12、行积分可得 I,s= I,0 exp(- K s) 式中s是辐射通过的路程长度，称为射线程长。从上式可知热辐射在气体内呈指数规律衰减(气体吸收定律，布格尔Bouguer定律)。 气体辐射的光谱吸收比、光谱发射率气体辐射的光谱吸收比、光谱发射率 从上面了解到气体的发射率和吸收比与固体的含义是不同的，对于固体则表示表面的辐射特性，而气体则具有容积辐射的特性。 因气体反射率,g为零 ,g+,g=1，由Bouguer定律,g= exp(- K s) ,g=1- exp(- K s)，当s时该波长下气体层具有黑体的性质。第九章第九章 辐射换热计算辐射换热计算 根据Kirchhoff定律，光谱发射率为 ,g= ,g=1- exp(- K s) 气体的发射率g Eg=,g Ebd=1- exp(- K s)Ebd 令Eg= gb