热工与流体力学(精品课件）

1、2020/9/25,辐 射 换 热,2020/9/25,学习导引,热辐射的传热现象与导热、热对流相比有着 本质的区别。物体之间以热辐射的形式实现热量 交换的现象称为辐射换热。本章主要介绍热辐射 的本质、特点及其有关的基本概念，阐述了热辐 射的两个基本定律，最后引入角系数的概念，并 延伸到两固体壁面间的辐射换热计算。,2020/9/25,学习要求,本章重点是理解热辐射的基本概念和基本定律，通过学习应达到以下要求： 1.掌握热辐射和辐射换热的本质与特点。 2.理解有关热辐射的吸收、反射、透射、黑体、白体、透热体及灰体等基本概念。 3.理解斯蒂芬玻尔兹曼定律及基尔霍夫定律的实质。 4.理解角系数的概

2、念，能参照相关资料，由表或图线求出角系数。 5.了解固体壁面之间的辐射换热的计算方法，能对固体壁面之间简单的工程问题进行辐射换热的分析和计算。 6.了解气体辐射的特点。,2020/9/25,本章难点,1.黑体是一种理想的概念，对黑体的理解有一定难度，但它对辐射换热的研究起着重要作用。由黑体过渡到一般物体，是由易到难，由特殊到普通的研究方法。 2.角系数的概念理解起来有一定难度，从物理概念入手，理解角系数的物理含义会比较容易些。 3.两固体表面间的辐射换热计算较难，应结合例题与习题加强练习。,2020/9/25,第一节 热辐射的基本概念和基本定律,辐射 、辐射能,物体以电磁波的形式传递能量的过程

3、称为辐射，被传递的能量称为辐射能。,因热的原因激发物质内部微观粒子振动，将热能转变成辐射能，以电磁波的形式向外辐射的过程称为热辐射。,一、热辐射的基本概念,热辐射,1.热辐射的本质和特点,2020/9/25,热射线,电磁波谱,热辐射产生的电磁波，包括全部可见光(为0.380.76m） 、 部分紫外线（0.38m）和部分红外线（0.76m） 。,常用波长来描述电磁波,一般可将热辐射看成红外线辐射。,2020/9/25,热辐射的特点,（1）热辐射不需要冷、热物体直接接触，也不需要中间介质来传递热量，可以在真空中进行热量传播。,（2）热辐射过程不仅有能量的传递，而且还伴随有 能量形式的转换。,物体辐

4、射,热 能,辐射能,物体吸热,（3）任何物体的温度只要高于0K，都可以不停地向 外发射电磁波。温度愈高, 热辐射的能力愈强。,（4）辐射换热是物体之间相互辐射和吸收的总效果。,高温物体,低温物体,热辐射是热量传递的基本方式之一,如太阳,2020/9/25,当热射线投射到物体表面上时，也发生吸收、反射 和透射现象。,2.吸收、反射和透射,或,即,热射线是电磁波，也遵循可见光射线的规律,吸收率,反射率,透射率,总辐射能,2020/9/25,A1，即RD0，物体能吸收全部的辐射能。,3.黑体、白体和透热体,R1，即AD0，投射到物体上的辐射能被全部反射。,材料的性质及其表面粗糙度对吸收率有重大影响。

5、 一般来讲，物体的表面越粗糙，吸收率就越大。,黑体,白体(镜体),如磨光的金属表面,凡属黑体的一切量均加下角标b,均为假定的理想物体,如电影院内壁,2020/9/25,透热体,D1，即AR0，投射到物体上的辐射能被全部透过。,如绝对干燥空气,一般来讲，固体和液体都是不透热体。气体反射率为0。,4.灰体,A1，且吸收率不随波长而改变（A为常数）的物体。,绝大多数的工程材料在热辐射范围内均可近似为 灰体处理。,工程中为简化辐射换热计算而引入,2020/9/25,1.斯蒂芬玻尔兹曼定律,二、热辐射的基本定律,黑体辐射力Eb与黑体热力学温度的四次方成正比， 又称为四次方定律，即,或,揭示了黑体的辐射能

6、力与其温度之间的关系,b :黑体辐射常数， 其值为5.6710-8 W/(m2K4)； T : 黑体表面的热力学温度，K。 Cb :黑体辐射系数， 其值为5.67W/(m2K4)。,2020/9/25,例14-1试计算一黑体表面温度分别为25及500时辐射力的变化。,2020/9/25,黑度,实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比称为 实际物体的黑度（也称为物体的发射率），用表示。即,工程上最重要的是确定实际物体（灰体）的辐射力,黑度的物理意义：, 恒小于1。,物体的黑度是物体本身的一种性质。,它表明物体的辐射能力接近于黑体的程度。,2020/9/25,表面粗糙的物体或氧化金属表面具有较大

7、的黑度。,常用工程材料的黑度由实验确定，可在附录和有关 手册中查出。,根据黑度得到实际物体辐射力的计算公式,绝大部分非金属材料的黑度在0.850.95之间，且 与表面状况的关系不大。可近似取作0.9。,磨光的金属表面黑度较小。,白体和透热体其黑度小到为零。,2020/9/25,2.基尔霍夫定律,当灰体2表面本身发射出的辐射能E2投射到黑体1表面上时，全部被黑体表面所吸收。而黑体1表面发射出的辐射能Eb1投射到灰体2表面上时，仅有部分能量A2Eb1被灰体吸收，剩余部分的能量（1A2）Eb1则被反射回黑体，并被黑体全部吸收。,揭示了实际物体在热平衡状态下辐射力与吸收率之间的关系,平壁1(黑体):

8、表面辐射力Eb1 、 温度T1、 吸收率A1（1）; 平壁2(灰体): 表面辐射力E2 、 温度T2、 吸收率A2,设有两个距离很近的平行大平壁:平壁1(黑体) 和平壁2(灰体)。,2020/9/25,当T1T2时，两表面处于热辐射的平衡状态，即：q0,灰体2表面发出的能量为E2，吸收的能量为A2Eb1，两者的差值即为平壁间辐射换热的热流密度q。,基尔霍夫定律,或,推及其它物体，有,说明：在热平衡条件下，任何物体的辐射力和吸收率之比恒等于同温度下黑体的辐射力，并且只和温度有关。,基尔霍夫定律,2020/9/25,（1）物体的辐射力越大，其吸收率也越大。善于发射的物体也善于吸收。,结论,基尔霍夫

9、定律,（2）实际物体的辐射力恒小于同温度下黑体的辐射力。,（3）物体的吸收率等于同温度下该物体的黑度。,该式在太阳辐射吸收中不适用,上式即为基尔霍夫定律表达式。,2020/9/25,第二节 固体壁面之间的辐射换热,一、角系数,物体间的辐射换热量除与物体的表面温度和黑度有关 外，还与物体换热表面的几何形状、大小及相对位置有关。,（a）板1辐射到板2的能量最多; （c）板1对板2的辐射能量为零; （b）则介于两种之间。,两固体表面之间的辐射换热量与两表面间的相对位置有很大关系,2020/9/25,由辐射面直接落到接收面上的能量与辐射面发出的全部能量之比称为角系数X。,角系数,1 :辐射面1发射出的

10、能量，W； 2 :辐射面2发射出的能量，W； 12 :辐射面1发出的能量落到接收面2上的能量； 21 :辐射面2发出的能量落到接收面1上的能量。,角系数的值永远小于1。,2020/9/25,表14-1 几种特殊情况的X值与C1,2的计算式,一旦两固体表面的表面积和相对位置确定了，它们的角系数数值也就确定了。,角 系 数,此处的X值可由图14-6查得。,2020/9/25,角 系 数,2020/9/25,二、两固体间的辐射换热,工程上常见的两固体(灰体1、2 )相互辐射传热的过程，是两者之间辐射能的反复发射和反射过程 。两固体间辐射换热的总结果为温度较高的物体传递给温度较低物体的净热量。,两固体

11、表面间的净辐射换热量可按下式计算,式中 A辐射换热的计算基准面积，m2；当两固体的辐 射面积不相等时，取辐射面积较小的一个（见表14-1中A1) 。,2020/9/25,例14-2一根直径为d50mm、长度为L10m的钢管被置于横断面为1m1m的砖槽通道内。钢管温度为t1227，黑度为10.8。砖槽壁面温度为t227，黑度为20.9。计算该钢管的辐射热损失。,解：,（1）计算辐射面的表面积,钢管：,砖槽：,（m2）,（m2）,（2）应用表14-1的第五 种情况计算钢管的辐射热损失,3861（W）,2020/9/25,例14-3为减少平行平面间的辐射换热量，将一平板（遮热板）放置于面积均为A的两

12、平行平板之间，如图14-7所示。已知两平行板的温度分别为T1、T2，黑度分别为1、2，其中放置遮热板后两平行板的温度T1、T2不变，且遮热板的面积也为A，遮热板的两面黑度相等，均等于3。假定这些平板的尺寸比它们之间的距离大得多，试求加入遮热板后两平行平板间的辐射换热量减少为原来的百分之几。,解：没有放置遮热板之前，两平行板间的辐射换热量属于表14-1中的第一种情况。角系数X1，此时两平行平板间的辐射换热量为,（a）,2020/9/25,两平行平板之间放置遮热板3后，在1、3板之间和3、2板之间产生的辐射换热量仍属两极大的平行平面，由表14-1可得X1，于是有,（b）,（c）,在稳态情况下，1,

13、33,21,2。若令123，则由（b）、（c）式可得,（d）,将上式代入（b）式得,2020/9/25,由此得出结论：两平行板间放置遮热板后，在123的情况下，辐射换热量减少为原来的50，这种作用称为遮热作用。实际工程中常采用黑度低的金属薄板作为遮热板以削弱辐射换热。,2020/9/25,第三节 气体辐射,在工业上常遇到的高温范围内，分子结构对称的双原 子气体可视为透热体，如：O2、N2、H2等；,分子结构不对称的双原子气体及多原子气体都具有相 当大的辐射能力和吸收能力 ，如：CO、CO2、H2O、CH4。,前面在讨论固体表面间的辐射换热时，由于表面温度不高，不考虑固体表面间的介质(认为是透热

14、体)对辐射换热的影响,工程上，烟气（或燃气）中的二氧化碳和水蒸气是主要的具有辐射能力的气体，其辐射和吸收特性对烟气的影响很大。,2020/9/25,一、气体辐射和吸收的特点,（1）气体的辐射和吸收对波长有强烈的选择性。,气体只能辐射和吸收光带的能量，对光带以外的热射线，气体就成为透热体。,光带: 气体辐射和吸收的波长范围。,气体的辐射光谱和吸收光谱 不连续,1黑体； 2灰体； 3气体,2020/9/25,气体的辐射能力仍可用其黑度来表征。,表14-2水蒸气和二氧化碳的辐射和吸收光带,部分光带重叠,气体辐射,气体的吸收率不再与其黑度相等，不能近似地作为灰体处理。,气体的吸收能力除与本身情况有关外

15、，还与外来的波长范围有关,2020/9/25,当辐射能投射到气体界面上时，辐射能穿过气体界面并进入气体层，在透过气体层的过程中不断被气体吸收，最后只有部分能量穿透整个气体层。,当气体层对某一界面辐射时，实际上是整个气体层中各处的气体对该界面辐射的总和。,（2）气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的。,气体辐射,固体的辐射和吸收是在表面进行的,2020/9/25,二、火焰辐射,锅炉内燃料燃烧产生的火焰与四周受热面（水冷壁）之间进行辐射传热的过程称为炉内辐射换热。,火焰辐射近似于固体辐射，可近似地作为灰体处理。,发光火焰的辐射特性与其所含微粒的大小和数量有关。,火焰中含有煤粒、飞灰与烟渣等具有辐射能

16、力强的固体微粒,为复杂换热过程,2020/9/25,第四节 太阳辐射,太阳的巨大能量完全靠辐射方式送达地球表面; 由 于距离遥远，到达地球的太阳射线近似于平行。,由于太阳温度高达数千万度，它向宇宙空间辐射的 能量中约98集中在0.2m3m的短波区。,紫外线部分（0.38m）约占8.7，,太阳辐射能量中:,可见光部分（0.38m0.76m）约占44.6，,红外线部分（0.76m）约占45.4。,2020/9/25,在太阳和地球的平均距离上，在地球大气层外缘与太阳射线垂直的单位面积上接收到的太阳辐射能为,太阳辐射,Sc1367W/m21.6W/m2,Sc 为太阳常数,由Sc ，可算得太阳表面相当于

17、温度为5762K的黑体。,地球大气层外缘某区域水平面上单位面积所接受到的太阳辐射能为,GsfSccos,f :地球绕太阳运行轨道非圆形的修正，f 0.971.03 :太阳射线与水平面法线的夹角，称天顶角。,2020/9/25,太阳射线在穿过大气层时，沿程强度逐渐减弱，减弱程度与太阳射线在大气中的行程长度、大气的成分及被污染的程度有关。,太阳辐射,1.大气层的吸收作用,大气层中的O3、O2、H2O、CO2等气体对太阳辐射的吸收具有明显的选择性。,2020/9/25,2.大气层的散射作用,太阳辐射,瑞利散射（或分子散射）,由气体分子引起的几乎各个方向分布均匀的散射 。,气体分子对短波辐射散射强烈 。,所以晴朗的天空看起来是蓝色的,米氏散射,由大气中的灰尘和悬浮颗粒引起的主要向着原射线 方向的散射。,太阳总辐射,直接辐射,散射辐射,=,+,晴天为主,阴天为主,2020/9/25,3.大气层的反射作用,太阳辐射,大气的云层和较大的尘粒，对太阳辐射有反射作用，把 部分太阳辐射反射回宇宙空间，其中云层的反射作用最大。,太阳辐射与地球辐射的热平衡的结果使地球表面温度一 年四季在大约250K至320K的范围内变化。,近些年来， 由于大气中CO2、SO2及氮氧化物等气体含量 的增多，产生所谓的 “温室效应” ，使地球表面的温度升高 。,由于这些气体对地球表面