《辐射换热》课件2

辐射换热辐射换热是热量传递的三种基本方式之一，指热量通过电磁波的形式进行传递的过程。辐射换热不需要介质，可以在真空中进行，例如太阳辐射热量到地球。辐射换热概述辐射换热是一种重要的热传递方式，在日常生活中随处可见。例如太阳的热量通过辐射传递到地球，电炉的热量通过辐射传递到锅具，篝火的热量通过辐射传递到周围的人。辐射换热是指物体由于温度不同而相互发射和吸收能量的热传递方式。其特点是不需要介质参与，可以在真空中进行，并且传递速度非常快。辐射热的定义能量传递辐射热是能量以电磁波的形式传递的一种方式，不需要介质。黑体辐射黑体是理想的热辐射体，它能够完全吸收所有波长的辐射能量。热能传递火焰释放的热量通过辐射的方式传递到周围物体，例如，烤肉。辐射换热的原理1热辐射物体通过电磁波传递能量2能量传递物体温度越高，辐射能量越强3吸收和发射所有物体都在吸收和发射辐射4辐射平衡物体吸收的能量等于发射的能量辐射换热是物体之间通过电磁波传递能量的过程，这种过程不需要介质，可以在真空中进行。物体温度越高，辐射能量越强，辐射换热效率也越高。所有物体都在吸收和发射辐射，当物体吸收的能量等于发射的能量时，物体处于辐射平衡状态。黑体辐射理想模型黑体是指能够完全吸收所有入射辐射，并且能够以最大辐射率发射辐射的理想物体。普朗克定律普朗克定律描述了黑体在不同波长下辐射能量的分布，揭示了黑体辐射能量与温度之间的关系。重要性质黑体辐射强度与温度的四次方成正比，意味着温度升高时，辐射强度将迅速增加。应用价值黑体辐射理论在热力学、天体物理学、辐射传热等领域有着广泛的应用，为理解和计算辐射换热奠定了基础。灰体辐射灰体是指表面不完全吸收和反射辐射能量的物体。灰体辐射能量与黑体辐射能量之比被称为灰度。灰度是灰体的一个重要参数，它反映了灰体辐射能力的大小。辐射强度与温度的关系辐射强度与温度之间存在着密切的关系，温度越高，辐射强度也越高。该关系可以用斯特藩-玻耳兹曼定律来描述。角度因子1定义角度因子表示两个表面之间相互照射的程度。它代表了从一个表面辐射出的能量到达另一个表面的比例。2应用角度因子在辐射换热计算中非常重要，它可以帮助我们准确地计算两个表面之间的热交换量。3影响因素角度因子的值取决于两个表面的形状、大小和相对位置，它是一个几何因素。4计算角度因子可以通过积分或图表的方式计算，对于复杂的几何形状，可以使用数值方法进行计算。形状因子形状因子定义形状因子表示物体表面辐射能量到达另一物体表面的比例。形状因子是一个无量纲的系数，它取决于物体表面的几何形状和相对位置。形状因子计算形状因子可以通过积分公式或查表来计算。常用的形状因子包括平板之间的形状因子、圆柱之间的形状因子等。形状因子是辐射换热计算中重要的参数之一。透射和反射透射物体允许辐射通过的程度称为透射率，与物质的性质和辐射波长有关。反射物体对入射辐射的反射能力称为反射率，也取决于物质的性质和辐射波长。吸收物体吸收辐射的程度称为吸收率，与透射率和反射率之和为1。辐射换热与导热及对流换热的比较传热方式辐射换热、导热和对流换热是三种常见的传热方式。能量传递辐射换热通过电磁波传递能量，而导热和对流换热则通过物质的运动传递能量。传热机制辐射换热不需要介质，导热需要物质，而对流换热则需要流体。应用场景辐射换热广泛应用于太阳能利用、工业炉窑等，而导热和对流换热则应用于热交换器、散热器等。辐射换热在工程中的应用辐射换热在工程中广泛应用，例如工业炉窑、锅炉、热交换器、燃烧设备等。工业炉窑中，辐射换热是主要的传热方式，通过高温炉壁或燃烧火焰将热量传递给工件。锅炉中，辐射换热用于将燃烧火焰的热量传递给锅炉受热面，提高锅炉的热效率。热交换器中，辐射换热用于将热流体或高温物体中的热量传递给冷流体，实现热能的传递。辐射换热在航天航空中的应用辐射换热在航天器设计中至关重要。例如，航天器表面会吸收太阳辐射，并通过热量向太空辐射。控制航天器的热量平衡对于确保其正常运行至关重要。例如，在卫星设计中，太阳能电池板会吸收太阳辐射，将其转化为电能，并通过热量向太空辐射。设计人员需要仔细考虑辐射换热，以确保太阳能电池板的温度在最佳工作范围内。辐射换热在建筑物中的应用建筑物外墙和屋顶的辐射换热是建筑物热量平衡的主要因素。建筑物采暖和制冷系统的设计需要考虑辐射换热的影响，以优化能源效率。例如，利用太阳能辐射进行建筑物采暖，以及通过热反射材料和遮阳设施降低建筑物内部的太阳辐射热量，可以有效地提高建筑物的节能性能。太阳辐射的特点太阳辐射的光谱特性太阳辐射包含不同波长的电磁辐射，主要集中在可见光、红外线和紫外线。太阳辐射的能量分布太阳辐射的能量并非均匀分布，波长越短，能量越高，波长越长，能量越低。太阳辐射的角度影响太阳辐射到达地球的角度会影响到地球表面的辐射强度，纬度越高，角度越小，强度越低。太阳辐射的大气层影响大气层会吸收和散射太阳辐射，导致到达地面的辐射强度发生变化，并影响到不同波长的辐射通过。日射通量的计算日射通量是单位面积上的太阳辐射能量，也称为太阳辐射强度。日射通量受多个因素影响，包括太阳高度角、大气透明度、地面反射率等。1.367kW/m2太阳常数0.7-0.9大气透射率大气吸收和散射的影响0.2-0.5地面反射率不同地表材质影响300-1000W/m2典型日射通量室外表面的热平衡1太阳辐射吸收太阳辐射是室外表面获得热量的主要来源。室外表面的颜色和材料会影响其吸收太阳辐射的程度。2对流换热室外表面与周围空气之间会发生对流换热，热量会从表面流向空气或从空气流向表面。3辐射换热室外表面会向周围环境辐射热量，同时也会吸收周围环境辐射的热量。辐射换热的大小取决于表面的温度和辐射率。4热平衡当室外表面吸收的热量等于其散发出的热量时，便达到热平衡状态。热平衡是影响室外表面温度的关键因素。建筑物外窗的热负荷计算热负荷计算参数单位传导热损失窗框材料热阻、玻璃厚度、空气层厚度W/m2.K对流热损失室内外温度差、窗框风速W/m2.K辐射热损失窗框表面温度、窗框辐射率W/m2.K建筑物外窗的热负荷计算需要考虑传导热损失、对流热损失和辐射热损失三个方面。根据计算结果，可以采取相应措施，例如增加窗框保温层、更换高性能玻璃等，以降低建筑物外窗的热负荷。建筑物内部热量平衡热量来源热量损失人员活动围护结构传热照明设备通风换气设备运行窗户传热太阳辐射地面传热建筑物内部热量平衡是指热量输入与热量输出之间的平衡状态。维持热量平衡对于确保建筑物舒适度、节能和安全性至关重要。辐射换热在新能源领域的应用辐射换热在许多新能源技术中发挥着重要作用，例如太阳能发电和太阳能热利用。利用太阳辐射能量，通过辐射换热将能量转化为电能或热能，实现可持续能源利用。例如，太阳能热发电系统利用太阳辐射加热工作介质，通过辐射换热将热能传递给发电装置。太阳能热发电系统原理太阳能热发电系统利用太阳能加热水或其他介质，将热能转化为蒸汽。蒸汽推动汽轮机，带动发电机发电。类型常见的太阳能热发电系统类型包括：槽式太阳能发电系统塔式太阳能发电系统碟式太阳能发电系统光热发电系统太阳能热利用光热发电系统利用太阳能加热介质，产生高温蒸汽，驱动汽轮机发电。高效率发电与传统光伏发电相比，光热发电效率更高，具有更大的发电潜力。储能技术光热发电系统可结合储能技术，实现太阳能的稳定供应，解决间歇性问题。规模化应用光热发电系统可规模化建设，为电网提供清洁能源。太阳能热水系统11.集热器将太阳能转化为热能，加热水。22.储水箱储存加热后的热水，提供持续供应。33.控制系统控制水泵、循环系统和温度调节。44.辅助加热系统在太阳能不足时提供辅助加热，保证热水供应。太阳能采暖系统利用太阳能太阳能采暖系统将太阳能转化为热能，用于供暖。通过集热器吸收太阳能，加热水或空气，为建筑物提供热量。应用范围适用于各种建筑物，包括住宅、商业建筑和公共设施。可独立使用或与其他供暖系统结合使用，以提高供暖效率，降低能源消耗。地球辐射与温室效应地球辐射地球表面吸收太阳能量，并向外辐射红外线，称为地球辐射。温室效应大气层中二氧化碳等温室气体阻挡地球辐射散失，导致地表温度升高，即温室效应。温室气体的吸收和辐射温室气体的吸收温室气体，例如二氧化碳、甲烷和氧化亚氮，能够吸收来自地球表面发出的长波红外辐射。这些气体分子吸收辐射后，会发生振动和旋转，并释放热量。温室气体的辐射吸收的热量会重新辐射回地球表面，导致地球表面温度升高，这被称为温室效应。温室效应的成因与后果温室气体增加二氧化碳、甲烷等温室气体浓度上升，导致地球大气对太阳辐射的吸收能力增强。全球气温上升气温升高导致冰川融化、海平面上升、极端天气频发等一系列问题。气候变化温室效应导致地球气候发生变化，例如降水模式改变、季节变化异常。减缓温室效应的措施11.减少化石燃料使用减少燃煤、石油、天然气等化石燃料的消耗，转向清洁能源，如太阳能、风能、水能等。22.提高能源利用效率通过技术革新，提高工业、交通、建筑等领域的能源利用效率，减少能源浪费。33.发展低碳技术积极研发和推广低碳技术，如碳捕获与封存技术、新能源汽车技术等。44.加强森林保护和造林森林是重要的碳汇，加强森林保护和造林，可以吸收大气中的二氧化碳。实践案例分享分享多个工程应用案例，展示辐射换热技术的应用场景，例如太阳能热发电系统、光热发电系统、太阳能热水系统、太阳能采暖系统等。通过案例分析，深入了解辐射换热技术在不同场景下的应用方式、设计理念和技术特点。并通过案例展示，帮助学生掌握辐射换热技术的应用方法，培养学生的实际工程应用能力。课程总结与展望辐射换热是重要的热传递方式之一，在工程、建筑和新能