[工学]传输原理教案 第10章 传热ppt课件

1、 本章概括： 1. 热辐射是物体因本身的温度，以电磁波的方式向外界发射能量的景象，是热量传送的三种根本方式之一。 2. 研讨热辐射的意义：在现代科学技术的许多传热过程中，辐射换热起着重要的，甚至是主导的作用，需求进展准确的辐射换热计算。 3. 本章主要内容：1辐射概念；根本定律；2黑体；实践物体辐射换热计算方法； 3气体辐射特点。 第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 1. 热辐射的本质热辐射的本质1辐射辐射物体中分子原子受激发而物体中分子原子受激发而以电磁波的方式释放能量的景象，称为辐射。以电磁波的方式释放能量的景象，称为辐射。电磁波携带的能量称为辐射能。电磁波携带

2、的能量称为辐射能。2任何物体都随时向周围空间发射电磁波，任何物体都随时向周围空间发射电磁波，因热的缘由，以电磁波方式释放能量，即热因热的缘由，以电磁波方式释放能量，即热辐射。辐射。3只需物体温度高于绝对零度，就会产生只需物体温度高于绝对零度，就会产生热辐射。以热辐射的方式进展物体间的热量热辐射。以热辐射的方式进展物体间的热量传送，称为辐射换热。传送，称为辐射换热。4辐射换热中伴随能量转换：物质受热激辐射换热中伴随能量转换：物质受热激发起原子的复杂运动，进而向外以电磁波的发起原子的复杂运动，进而向外以电磁波的方式发射并传播的能量。接受这种电磁波的方式发射并传播的能量。接受这种电磁波的物体又将吸收

3、的辐射能转变成热能。物体又将吸收的辐射能转变成热能。第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.1 热辐射的根本概念热辐射的根本概念10.1 热辐射的根本概念热辐射的根本概念2. 辐射换热与导热、对流换热有本质的区别：辐射换热与导热、对流换热有本质的区别： 1热辐射所发射的辐射能取决于物体的温度，热辐射所发射的辐射能取决于物体的温度，温度越高，辐射越强。温度越高，辐射越强。2热辐射不依赖于物质的媒介作用，是一种非热辐射不依赖于物质的媒介作用，是一种非接触的传热方式，因此热辐射是真空中独一的传送接触的传热方式，因此热辐射是真空中独一的传送热量的方式。热量的方式。第二篇第

4、二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.1 热辐射的根本概念热辐射的根本概念2000K以下，热辐射波长普通位于0.38100 m，其中大部分位于0.7620 m热射线：能被物体吸收而转变成热能的辐射线称作热射线。热射线包括紫外线，可见光和红外线三个波段。可见光: 0.4 0.78 m m微米，10-6米紫外线: 10-2 0.4 m红外线: 0.8 50 m第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.1 热辐射的根本概念热辐射的根本概念3 吸收率，反射率，穿透率吸收率，反射率，穿透率 ) 110(1QQQQQQQQQQQQ设辐射到物体外表的总能量

5、设辐射到物体外表的总能量 Q，其中：物体吸收Q, 反射Q, 穿透Q， 那么有：Q= Q+Q+Q 即：即：令 那么那么 + + = 1(吸收率吸收率)(反射率反射率)(穿透率穿透率)第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.1 热辐射的根本概念热辐射的根本概念第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.1 热辐射的根本概念热辐射的根本概念1固体、液体在其外表下固体、液体在其外表下1m微米微米1mm之间可以将辐射之间可以将辐射能吸收终了，并且转化为热能。能吸收终了，并且转化为热能。2实践资料的厚度普通实践资料的厚度普通 远大于此，可以以为固液体

6、不能透过热远大于此，可以以为固液体不能透过热辐射，热辐射全部被吸收或者反射，穿透率辐射，热辐射全部被吸收或者反射，穿透率=0，即，即 + = 13对固体和液体的辐射、吸收、反射特性的影响要素：物体外对固体和液体的辐射、吸收、反射特性的影响要素：物体外表资料的性质、外表形状、覆盖层厚度、温度等。表资料的性质、外表形状、覆盖层厚度、温度等。 4辐射能的反射情况决议于热辐射波长辐射能的反射情况决议于热辐射波长与外表不平整尺寸与外表不平整尺寸的的相对大小。相对大小。 时，属于镜面反射。时，属于镜面反射。5气体的辐射和吸收在整个容器中进展，气体对辐射能几乎没气体的辐射和吸收在整个容器中进展，气体对辐射能

7、几乎没有反射才干吸收一部分，穿透一部分。有反射才干吸收一部分，穿透一部分。留意几点：留意几点：第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.2 黑体辐射黑体辐射10.2 黑体辐射黑体辐射1. 黑体黑体吸收率吸收率1 的物体叫的物体叫 绝对黑体，简称黑体。绝对黑体，简称黑体。反射率反射率1 的物体叫的物体叫 镜体。漫反射，绝对白体镜体。漫反射，绝对白体穿透率穿透率1 的物体叫的物体叫 绝对透明体，简称为绝对透明体，简称为 “透明体。透明体。黑体是理想态，自然界中没有天然黑体，人工可制造接近于黑黑体是理想态，自然界中没有天然黑体，人工可制造接近于黑体的模型。体的模型。2.

8、辐射力辐射力 (E) 又叫又叫 “辐射照度辐射照度单位时间内，单位外表积向外表半球空间一切方向发射的全单位时间内，单位外表积向外表半球空间一切方向发射的全部波长的总辐射能。量刚：部波长的总辐射能。量刚：W/m23. 黑度发射率黑度发射率 令黑体辐射力令黑体辐射力Eb， 实践物体辐射力实践物体辐射力E Eb 称物体的黑度发射率。称物体的黑度发射率。0 1第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.3 辐射根本定律辐射根本定律10.3 辐射根本定律辐射根本定律普郎克定律阐明：黑体辐射能按照波普郎克定律阐明：黑体辐射能按照波长的分布规律。或者说黑体单色辐射长的分布规律。或者

9、说黑体单色辐射力力Eb随波长和温度而变化的函数。随波长和温度而变化的函数。C1 3.74310-6C2 1.438710-2 10-8察看上图：每条曲线下的面积表示某个温度下黑体的辐射力。察看上图：每条曲线下的面积表示某个温度下黑体的辐射力。辐射力辐射力 Eb 随黑体温度的升高而增大。随黑体温度的升高而增大。5221bhC k TEhce0bbEE d某温度下：0bbEE d黑体辐射能与波长、黑体辐射能与波长、温度的关系根据温度的关系根据10-8式绘制而成。式绘制而成。利用利用Wien位移定律，测得黑体外表最大的单色辐射力波长位移定律，测得黑体外表最大的单色辐射力波长m时，时，就可以由之估算出

10、外表温度。就可以由之估算出外表温度。二、维恩二、维恩Wien位移定律位移定律1963年维恩根据普郎克定律年维恩根据普郎克定律10-8式取极值得到式取极值得到332.8976 102.9 10 /mTm k黑体辐射中黑体辐射中, 能量最大的波长能量最大的波长m与绝对温度成反比。与绝对温度成反比。例： 太阳辐射m0.5m， T2.910-3 / 0.510-65800K (太阳外表温度)第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.3 辐射根本定律辐射根本定律4824, 5.67 10 /bbbETW mK25100.1bbCTCEE dde42400: , C5.67 /

11、100bTORECTWmKC0黑体辐射黑体辐射系数系数运用：运用： 利用利用 Stefan-Boltzman定律，只需知道黑体外表定律，只需知道黑体外表的温度，即可求出黑体在该温度下的辐射力。的温度，即可求出黑体在该温度下的辐射力。(10-8) 带入带入10-9得到：得到：积分上式得积分上式得 斯特藩玻斯特藩玻尔兹曼定律尔兹曼定律10-11：第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.3 辐射根本定律辐射根本定律b斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数黑体辐射常黑体辐射常数数四、四、 基尔霍夫基尔霍夫 (Kirchhoff) 定律定律实践物体实践物体1非黑体非黑体 包

12、在黑体大空腔内，二者处于热包在黑体大空腔内，二者处于热平衡。对于非黑体物平衡。对于非黑体物1，黑体投来的辐射为，黑体投来的辐射为Eb，非黑体，非黑体吸收率为吸收率为，非黑体吸收了，非黑体吸收了Eb，非黑体辐射出，非黑体辐射出E1。两者到达平衡。两者到达平衡。由1的恣意性，得：312123.bEEEEE基尔霍夫基尔霍夫 (Kirchhoff) 定律的结论：定律的结论： 体系处于热平衡时，任何物体的辐射力体系处于热平衡时，任何物体的辐射力E 和和 吸收吸收率率 的的 比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。与物比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。与物性无关，而仅仅取决于温度。性无关，而仅仅取决于温度。10

13、-13基尔霍夫定律表达式基尔霍夫定律表达式第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.3 辐射根本定律辐射根本定律1基尔霍夫基尔霍夫 (Kirchhoff) 定律的推论：定律的推论： 物体的发射力和吸收率成正比。吸收力越大那么辐物体的发射力和吸收率成正比。吸收力越大那么辐射力也越大。反之亦然射力也越大。反之亦然 一样温度下，黑体辐射力最强。一样温度下，黑体辐射力最强。bE, =EbEE又因所以吸收率所以吸收率 黑度黑度 热平衡时，物体对黑体辐射的热平衡时，物体对黑体辐射的吸收率等于同温度下该物体的吸收率等于同温度下该物体的黑度。黑度。312123.bEEEEE10-1

14、3 基尔霍夫定律基尔霍夫定律第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.3 辐射根本定律辐射根本定律五、五、 兰贝特兰贝特(Lambert)定律定律-黑体辐射能在空间的分布黑体辐射能在空间的分布1 定向辐射强度定向辐射强度 Ip 辐射强度辐射强度在单位时间、单位可见面积、单位立体角内，辐射的能量叫在单位时间、单位可见面积、单位立体角内，辐射的能量叫做定向辐射强度。做定向辐射强度。Qp 为恣意为恣意p方向与法线夹角方向与法线夹角上辐射的热流率。上辐射的热流率。2sFr 是立体角球面上外表积是立体角球面上外表积与球半径平方之比。与球半径平方之比。15)-(10Sr W/m

15、cos2ddFdQIpp第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.3 辐射根本定律辐射根本定律1可以证明，可以证明，IpIm =In=I 黑体定向辐射强度黑体定向辐射强度10-16即：黑体定向辐射强度在半球的各个方向上相等。即：黑体定向辐射强度在半球的各个方向上相等。Sr W/m cos2ddFdQIpp10-1510-17 余弦定律黑面子积发生的辐射能，落到空间不同方向单位立黑面子积发生的辐射能，落到空间不同方向单位立体角中的能量值，与该方向同外表法线之间的夹角体角中的能量值，与该方向同外表法线之间的夹角的余弦成正比。余弦定律的余弦成正比。余弦定律2第二篇第二篇

16、热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.3 辐射根本定律辐射根本定律证明：辐射物体遵守兰贝特定律时，辐射力证明：辐射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是任何方向上定向辐射强度的倍。倍。 底面上微元辐射面底面上微元辐射面dF， 在球面上恣意辐射在球面上恣意辐射方向方向p，取面积微元，取面积微元dFs，那么与发射方向，那么与发射方向p垂直的辐射面面积为垂直的辐射面面积为dF cos。立体角。立体角d 。单位时间单位时间dF在在p方向辐射能为方向辐射能为dQp。所以：。所以： cosppdQIIdFd 2sdFdr2cospsdQI dFdFr2cos/psdQI

17、dFdFrcossinpdQIdFd d sinsdFrdrd 图示：半球的半径为图示：半球的半径为r0, 此半球此半球覆盖在辐射微元面覆盖在辐射微元面dF所在的平所在的平面上。面上。第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.3 辐射根本定律辐射根本定律单位时间，dF对半球外表一切方向的总辐射能为：/2200/2200 = cossin =pQdQIdFd dIdF 另一方面，QEdF所以，E =I。得出得出3E =I ，符合兰贝特定律的黑体外表，辐射力，符合兰贝特定律的黑体外表，辐射力 是恣意方向上定向辐射强是恣意方向上定向辐射强 度的度的 倍。倍。第二篇第二篇

18、热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.3 辐射根本定律辐射根本定律10.4.1. 实践物体的辐射特性实践物体的辐射特性(1). 实践物体的辐射与绝对黑体不同。实践物体的辐射与绝对黑体不同。(2). 黑体的单色辐射力黑体的单色辐射力Eb随波长延续随波长延续光滑地变化。而实践物体的单色辐射光滑地变化。而实践物体的单色辐射力力E随波长和温度发生不规那么变化。随波长和温度发生不规那么变化。 实践实践E 黑体黑体Eb(3). 灰体单色辐射力与同温度、同波长灰体单色辐射力与同温度、同波长下的黑体单色辐射力之比为定值下的黑体单色辐射力之比为定值 灰体单色黑度。灰体单色黑度。灰体：灰体：bE

19、E40TEEb实践物体的辐射力计算公式 10-20第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.4 实践物体的辐射与吸收实践物体的辐射与吸收10.4 实践物体的辐射与吸收实践物体的辐射与吸收00是黑体辐射常数，是黑体辐射常数，实践物体只是近似符合兰贝特定律，黑度也随辐射方向改动 (各方向上定向辐射强度不相等)。bII同温黑体定向辐射强度实践物体的黑度与物质种类、外表温度、外表情况有关。见P. 224 表达及表10-1定义定向黑度为：定义定向黑度为：物体的定向黑度物体的定向黑度( )= 物体在该方向上的定向辐射强度物体在该方向上的定向辐射强度(I ) / 同温度下黑体在该

20、方向上的定向辐射黑度同温度下黑体在该方向上的定向辐射黑度 (I b) 。第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.4 实践物体的辐射与吸收实践物体的辐射与吸收10.4.2. 实践物体的吸收特性实践物体的吸收特性 p225实践物体的吸收率和发射率 一样取决于辐射方向、波长、物质种类、外表温度及外表情况等。定义单色吸收率 对某一特定波长辐射能的吸收率。 P.225看图10-9是一些资料单色吸收率与波长的关系。第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.4 实践物体的辐射与吸收实践物体的辐射与吸收第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射

21、换热辐射换热 10.4 实践物体的辐射与吸收实践物体的辐射与吸收灰体：某种物体的辐射光谱是延续的，并且在任何灰体：某种物体的辐射光谱是延续的，并且在任何温度下一切各波长射线的辐射强度与同温度黑体的温度下一切各波长射线的辐射强度与同温度黑体的相应波长射线的辐射强度之比等于常数，那么这种相应波长射线的辐射强度之比等于常数，那么这种物体就叫做理想灰体，或简称灰体。物体就叫做理想灰体，或简称灰体。 实践物体在某温度下的辐射强度与波长的关系实践物体在某温度下的辐射强度与波长的关系是不规那么的，因此不是灰体。但在工程计算上为是不规那么的，因此不是灰体。但在工程计算上为了方便起见，近似把它们都看作是灰体。了

22、方便起见，近似把它们都看作是灰体。 灰体的单色吸收率灰体的单色吸收率 const1 (10-22)1. 两黑体外表恣意放置两黑体外表恣意放置条件：外表间介质绝对透明。每个外表发射出的能量都只需一每个外表发射出的能量都只需一部分可以到达另一个外表，其他部分可以到达另一个外表，其他部分落到空间去了。部分落到空间去了。第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.5 黑体间的辐射换热黑体间的辐射换热10.5 黑体间的辐射换热黑体间的辐射换热F1向半球空间辐射总能： 111FEQb其中落在F2上： 2, 1Q定义12, 12, 1QQ角系数 1对2那么：1112, 1cosdd

23、FIdQ2221cosrdFd所以 dQ12 可以写成：同理有：同理有：根据根据10-15dF1 投射到投射到dF2的的dQ12为：为：根据立体角定义：根据立体角定义：第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.4 黑体间的辐射换热黑体间的辐射换热2212112, 1coscosrdFdFEdQb2212121 ,2coscosrdFdFEdQb211F222112, 1coscos dFdFrEQFb 积分：211F222121 ,2coscos dFdFrEQFb 角系数: 1212F2211112, 12, 1coscos1 FbdFdFrFFEQ 1212F2

24、212221 ,21 ,2coscos1 FbdFdFrFFEQ第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.4 黑体间的辐射换热黑体间的辐射换热1 ,222, 11 FF角系数的相对性角系数的相对性黑体1，2之间净辐射换热热量：1 ,222, 111 ,22, 12, 1QQQQQ净1 ,2222, 111FEFEbb)(212, 11bbEEF)(211 ,22bbEEF(10-27)(1)(11 ,22212, 11212, 1FEEFEEQbbbb净辐射势差空间热阻Eb1Eb2第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.4 黑体间的辐射

25、换热黑体间的辐射换热 角系数是计算两板间净辐射换热的一个重角系数是计算两板间净辐射换热的一个重要概念。确定角系数的方法有很多，如几何法、要概念。确定角系数的方法有很多，如几何法、积分法、代数法等。这里用来确定角系数的方积分法、代数法等。这里用来确定角系数的方法是代数法。法是代数法。第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.4 黑体间的辐射换热黑体间的辐射换热第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.6 灰体间辐射换热灰体间辐射换热 10. 6 灰体间辐射换热灰体间辐射换热 p230(1)投入辐射投入辐射 :单位时间内单位时间内,投射到灰投射到灰体外表上单位面积的总辐射能称为体外表上单位面积的总辐射能称为对该面的投入辐射对该面的投入辐射 G (W/m2)。(2)吸收辐射吸收辐射: 投入辐射投入辐射G中，被吸收的部分称吸收辐射中，被吸收的部分称吸收辐射 G (W/m2)。(3)反射辐射反射辐射: 投入辐射投入辐射G中，被反射回去的部分称反射辐射中，被反射回去的部分称反射辐射 G (W/m2)。(4)有效辐射有效辐射: 外表上单位面积上分开的总辐射能称有效辐射外表上单位面积上分开的总辐射能称有效辐射 J (W/m2)。第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 辐射换热辐射换热 10.6 灰体间辐射