《传热学第六章》PPT课件.ppt

1、第六章 辐射换热 6.l 热辐射的基本概念 6.2 黑体辐射的基本性质 6.3 实际物体的辐射和吸收 6.4 黑体间的辐射换热及角系数 6.5 灰体表面间的辐射换热,6.l 热辐射的基本概念,6.l.1 热辐射的本质,热辐射: 由于热的原因而产生的电磁波辐射.,构成物质的微观粒子因振荡和跃迁而发射辐射能,电磁波谱: 热辐射是电磁辐射(电磁波)的一种,热辐射具有一般辐射现象的共性.以光速传播:,辐射的本质: 既有波动性,又有粒子性.,热辐射的特点: 不依靠物质接触进行传热; 辐射过程伴随能量形式的转化; 一切温度高于0 K的物体都会不停地发射热射线.,6.1.2辐射能的吸收、反射和透过,图6-2

2、 射线被吸收、反射和透 过的示意图,A、R、D分别称为物体的吸收率、反射率和穿透率 与物体的性质、温度、表面状况有关 与投射能量的波长分布有关,镜面反射和漫反射:,镜面反射: 反射角等于入射角 光滑的金属表面, 玻璃, 塑料等 漫 反 射: 被反射的辐射能(均匀)分布在各个方向上。 粗糙的金属表面近于漫射面,绝对透明体： D1、能让投射到它上面的辐射能全部透过,双原子气体，如氧气、氮气及空气等，对热射线就是 近似透明体,绝对白体：R1，简称白体，能反射投射到其表面上的全部 热射线,绝对黑体：A1，简称黑体，能吸收投射到其上的全部辐射能。 在辐射换热理论中，黑体占有重要地位，热辐射的基本定律 是

3、在黑体的基础上得出的。,绝对黑体模型:,注意:黑色的物体不同于黑体, 白色的物体不同于白体. 颜色对可见光而言；白体、黑体、透明体对全波长而言. 白颜色物体(反射可见光呈白色)不一定是白体; 黑颜色物体不一定是黑体.,6.2 黑体辐射的基本性质,1. 总辐射力E 单位： W/m2 单位时间内物体单位表面积向半球空间的一切方向发射的 包含全部波长的辐射能,2. 单色辐射力 单位： W/m2 单位时间内物体单位表面积向半球空间的一切方向发射的 某一波长的辐射能,3. 方向辐射力 单位： 单位时间内物体单位表面积向半球空间的某一方向在单位立 体角内所发射的一切波长的辐射能,图6-5 立体角的定义,立

4、体角： 半球表面上被立体角切割的面积除以半径的平方 单位：sr（球面度）,有关辐射力的定义间的关系式,辐射强度： 单位时间内在某一方向上,物体单位可见辐射面积在单位立体角 内辐射的一切波长的能量,W/(m2sr),图6-6 辐射强度定义,6.2.2 普朗克定律,黑体的单色辐射力和温度、 波长之间存在着如下关系：,（1901年）,W/m2,:波长（m）； T:为黑体的绝对温度（K）； C1 常数，为3.74310-16 Wm2； C2 常数，为 1.438710-2 mK。,图6-7 黑体E和波长、温度的关系,用一条曲线来表示普朗克定律,将上式两端均除以T5，得,图6-8 黑体单色辐射力与T的函

5、数关系,6.2.3维恩定律,对应于最大单色辐射力的波长与物体的绝对温度间的关系 称为维恩位移定律,mK,图6-7 黑体E和波长、温度的关系,钢锭加温时： 黑红白 波长测温,6.2.4 斯蒂芬玻尔兹曼定律,黑体的总辐射力,黑体辐射常数,或,黑体辐射系数,又称为辐射的四次方定律,某温度下黑体发射的一定波长范围内的辐射能,引入辐射函数,辐射函数仅为 的函数。该函数值列于表6-1中,6.2.5 兰贝特定律,黑体在任意方向上的辐射强度与方向无关，都等于它在法线 方向上的辐射力 I 对于服从兰贝特定律的辐射 ：,黑体单位面积发出的辐射能落在空间不同方向单位立体角中 的能量值不等，其数值正比例于该方向与表面

6、法线之间夹角 的余弦值。所以，兰贝特定律又称为余弦定律。,漫辐射表面:辐射强度在空间各个方向上都相等,黑体或具有漫辐射表面的物体，在其法线方向上辐射力 最大，在90度方向上最小，为0。,对于辐射能按空间方向的分布服从兰贝特定律的物体， 其辐射强度和辐射力间的关系,6.3 实际物体的辐射和吸收,实际物体的辐射和吸收比黑体要复杂得多，其特性取决于许多因素， 如组成、表面粗糙度、温度、辐射波长等,6.3.1 实际物体的辐射,图6-9 实际物体与灰体的单色辐射力,黑度（又称发射率）： 实际物体的辐射力与同温度下 黑体的辐射力之比,l. 黑度 2. 单色黑度 3. 方向黑度,实际物体的辐射力可用下式表示

7、：,实际物体的辐射力并不严格地同绝对温度的4次方成正比； 为工程计算便利，认为一切实际物体的辐射力都与绝对温 度的4次方成正比，而把由此引起的修正包括到由实验方法 确定的黑度中去。因此，黑度除了与物体本身性质有关外 还与温度有关。,如果实际物体的方向辐射力遵守兰贝特定律的话，该物体表面称为漫射表面，其方向黑度与角度无关而等于一常数。,物体表面的黑度只取决于发射物体本身，与外界条件并无关系。 表面温度，表面性质、状况、表面涂层的厚度等都对物体的黑度 有很大的影响。物体表面的黑度值一般要由实验测定。,6.3.2 实际物体的吸收,吸收率A：实际物体对投入辐射吸收的百分数称为该物体 的吸收率 单色吸收

8、率 ：对某一波长辐射能吸收的百分数,实际物体的吸收特性与其本身性质和状况有关， 与投入辐射的性质也有关,物体本身温度为 ，辐射源温度为 ，若辐射源为黑体， 物体对黑体辐射的总吸收率：,吸收率是温度 和 的函数,灰体：单色吸收率与波长无关的物体,常数,总吸收率只取决于物体本身的性质和状况而与外界的情况无关 灰体也是一种理想物体。,6.3.3基尔霍夫定律,实际物体的辐射和吸收间的关系,图6-10 平行平板的辐射换热,板相距很近，从一块板发出的辐射全部 落到另一块板上。 板1为黑体表面：Eb、Tb 板2为无透射的任意表面 ：E、A、T,两板间单位面积的辐射换热量：,当系统处于热平衡状态时，,把上述关

9、系推广,在热平衡状态下，任何实际物体的辐射力和吸收率之比 都相同，均等于同温度下黑体的辐射力 。 与黑体热平衡的条件下才能成立,因为所有实际物体的吸收率总小于1，所以在温度相同时 黑体的辐射力最大。,在热平衡的条件下，任意物体对黑体辐射的吸收率恒等于 同温度下该物体的黑度。在温度相同的前提下，物体的 辐射力越大，其吸收率也越大。,对于灰体，由于其单色吸收率不随波长变化，于是不论 投入辐射是否来自黑体：,又：,又：,黑度是自身的辐射特性，不因平衡与否而变化。所以不论 投入辐射是否来自黑体，也不论是否满足热平衡条件， 灰体的吸收率恒等于其在同温度下的黑度。,灰体的辐射和吸收的规律性与黑体完全相同，

10、只是数量上有差别,6.4 黑体间的辐射换热及角系数,角系数 ：表面1发射的辐射能落到表面2上去的百分数称为 表面1对表面2的角系数，用符号 表示,图6-11 任意两黑体间的辐射换热,单位时间从表面1发出而到达表面2的辐射能,黑体1、2，面积F1、F2，温度T1、T2：,单位时间从表面2发出而到达表面1的辐射能,两个表面都是黑体，所以落到表面上的 能量分别被它们全部吸收，两个表面之 间的净换热量,（6-24）,如果两表面处于热平衡状态，,角系数纯系几何因子，与物体性质和温度条件无关。所以， 当系统不处于热平衡条件或为非黑体表面时，式（6-25） 亦同样正确适用,（6-25）,把式（6-25）代入

11、式（6-24），得,求黑体表面之间的辐射换热问题就归结为求角系数的问题,角系数线算图,1,2,平行长方形间的平均角系数,1,2,两相互垂直且具有共同边的长方 形间的角系数,1,2,两同轴平行圆盘间的角系数,角系数的代数分析法,1角系数的相对性,2角系数的完整性,对于由n个表面组成的封闭系统，从能量守恒原理可知：,为表面1对自身的角系数，如果表面1为凸面或平面， 则,用角系数的代数分析法求一个由三个凸面或平面组成的 封闭系统各面间的角系数。该系统在垂直于纸面方向有 足够长，从两端开口逸出的辐射能可以略去不计 。,图6-15 三个凸（或平）表面组成的封闭系统,据角系数的完整性有：,根据角系数的相对

12、性有 ：,联立求解上述六元一次方程，即可分别求得未知的6个角系数,例如,（6-29）,图6-16 两表面间的角系数,利用式（6-29）求非封闭系统的角系数,作辅助线ac、bd、bc、ad,对于四边形1324，由角系数的完整性： 1，1 1，2 1，31，41 1，1 0 1，211，3 1，4 利用式（6-29），对三角形135，146 分别求出1，3 、1，4代如上式，则,3,4,5,6,1,2,6.5 灰体表面间的辐射换热,6.5.1 有效辐射,离开表面的总辐射能称为有效辐射， 用符号J1表示,图6-18 有效辐射的示意图,灰体 表面的温度 ：T1 吸收率：A1 本身辐射 ：E1 投入辐射

13、 ：G,有了有效辐射的概念，就可以将灰体表面间辐射换热 的多次反射和吸收的过程进行简化,6.5.2 辐射热阻,图6-18 有效辐射的示意图,面积F1为的灰体表面上的能量收支差额,或,从上两式中消去投入辐射G，便得到灰体表面上的热流：,与电学中的欧姆定律相比较：,相当于电位差，称为辐射势差,相当于电阻，称为表面辐射热阻，简称表面热阻,辐射热流,图6-19 表面网络单元,表面热阻是因表面为非黑体而形成的，表示 实际物体的辐射力与黑体的差。当表面为黑 体时，1=1,该热阻等于零 。J1Eb1。,等效电路： 辐射网络系统中的一部分， 称之为表面网络单元。,面积为F1和F2的两个灰体表面之间 的辐射换热

14、量 ：,F1,F2,由于,J2F2,空间辐射热阻，简称空间热阻:,等效电路(空间网络单元):,图6-20 空间网络单元,若F1和F2构成封闭系统,则,Q1Q1，2Q2,由此可得两个灰体表面间的 辐射换热网络,图6-21 两个灰体表面间的辐射网络,（6-35）,6.5.3 特殊放置的两灰体表面间的辐射换热,1. 平行平板,设有两个彼此靠近的无限大平板，其温度分别为T1、T2， 吸收率为A1、A2。,显然有,两无限大平板间的辐射换热量 ：,是系统当量黑度；F为平板的面积。,2. 一非凹表面置于凹表面的空腔内,图2-22 两表面间的辐射换热 F1非凹表面；F2凹表面,它们的面积、黑度、温度分别为F1

15、和F2、 1和2、T1和 T2,显然,由角系数的相对性,两表面之间的辐射换热量,（6-37）,系统当量黑度,（1）当面积相差很小，即 时，式（6-37）蜕变成 式（6-36）。可近似地按无限大平板类型的问题计算,（2）当面积比大得多，即 时，式（6-37）简化为,这时系统的当量黑度,（6-38）,式（6-38）的实用意义： 不需要知道表面积和黑度即可进行换热计算。 例 ：大房间内高温管道的辐射换热。,6.5.4 辐射屏,为了减少两表面之间的辐射换热量，可在辐射表面之间 设置辐射屏，即在平行平板之间插入一块金属薄板,两个无限大的平板1、3，其温度和黑度分别T1和1、T3和 3 由辐射网络图可知它

16、们之间的辐射换热量,图6-23 辐射网络,因,若在两平板间设置一薄屏，设薄屏的黑度为 2 ，其它条件不变， 则根据辐射网络图6-23（c），此时的辐射换热量为,因,辐射的热阻增加了,屏的黑度愈小，附加热阻愈大，1、3的辐射换热就削弱得愈厉害。,若,不加屏时的辐射热阻为 加屏时的辐射热阻为,热阻增加了一倍，因此平板间辐射换热量减少一半,设置 n 块辐射屏，则平板间的辐射换热量可以减少 到原来的,6.5.5 复杂系统的辐射换热,网络法：在由多个灰表面组成的辐射换热系统中，利用辐射热阻 的概念，可以给出辐射换热系统的网络图,图6-24 3个灰表面间的辐射网络,图6-25 4个灰表面间的辐射网络,为了确定每个表面的换热量，必须知道每个表面的有效辐射Jn,基尔霍夫定律：流入每个节点的电流（热流）的总和为零。,利用网络图，根据电路理论的基尔霍夫定律，可以分别 计算每个表面的有效辐射Jn，从而计算出它们之间的 辐射换热量。,三个灰体的情况：,图6-24 3个灰表面间的辐射网络,节点1： 节点2： 节点3：,各个表面的净辐射换热量： 网络法总结： 画出等效网络图； 列出节点的热流方程； 求解节点代数方程得出节点处有效辐射； 按上面公式确定各个表面的净辐射换热量。,图6-24 3个灰表面间的辐射网络,解 本题是图6-24所示的3个灰体 表面间换热问题。,板的