11 热辐射.ppt

1、11 辐射换热,11.1 热辐射的基本概念,11.1.1 热辐射的本质 辐射是物体通过电磁波传递能量的现象。温度高于0K的任何物体时刻都在以辐射的方式与外界交换能量。,热辐射的波长：0.101000m，它包含一部分紫外线、全部可见光和红外线。 可见光：0.380.76m； 紫外线与可见光的分界波长在0.30.4m之间，可见光与红外线的分界波长在0.700.78m之间。 近红外线：0.761.4m，中红外线：1.43m，远红外线：31000 m,（11-2）,11.1.2 辐射强度与辐射力,11.1.2.1 辐射能量的表示方法,辐射能是按空间方向分布的，在不同方向上有不同的数值；辐射能又是按波长

2、分布的，不同波长具有不同的能量。,立体角为一空间角度。,立体角的大小用球面上被立体角切割的面积dA2除以半径的平方来表示，单位为sr(球面度)，即,（11-5）,立体角定义图,物体表面在某辐射方向上的单位投影面积，在单位时间、单位立体角内发射的全波长域的能量称为辐射强度，记作I，单位是W(m2sr)。即立体方向角与该方向上的可见辐射面积，也就是垂直于该方向的流通面积之积。,11.1.2.2 辐射强度,（11-6）,辐射波长为,在波长间隔d范围内所发射的能量,定义为单色辐射强度I:,（117）,I的单位是W(m2msr),因此,（118）,物体在单位时间内,每单位表面积上发射出去的全波长范围的总

3、能量称为辐射力,用符号E表示,单位为瓦/米2(W/m2)。,11.1.2.3 辐射力,单色辐射力：波长为的辐射波在波长间隔d范围内所发射的能量。,（1111）,辐射力与单色辐射强度I之间的关系为,E的单位为W/(m2m)。故有,在某辐射方向的单位立体角内所发射的全波长能量,称为定向辐射力,记为E,单位为W/(m2sr),（1113）,11.2 热辐射的基本定律,11.2.1 普朗克定律 普朗克（Planck）定律根据量子理论，揭示了黑体单色辐射力Eb按照波长和黑体的热力学温度T的分布规律。,式中：e自然对数的底；c1普朗克第一常数，c1=3.743108（m）4Wm2；c2普朗克第二常数，c2

4、=1.4387104(mK)。 Eb的单位为W(m2m)。,（11-14）,普朗克定律揭示的事实:,（1）热力学温度愈高，黑体的辐射力愈大; （2）在某一绝对温度T下，黑体的单色辐射力随波长连续变化，且在总能量中各种波长的能量相差很大。当=0 时Eb=0，随后Eb随波长的增加而增加。当波长增至某一数值max时，单色辐射力达到最大值，此后，Eb又随的增加而减少，在趋向无穷时重新变为零 。,(3) 对应于单色辐射力最大值的max随温度升高而向短波方向移动，称之为维恩（Wein）位移定律,m是在给定温度下的单色辐射力Eb最大值所对应的波长。 维恩位移定律表明黑体温度越高其单色辐射力最大值所对应的波长

5、越短 。,黑体的辐射力等于图中相应绝对温度曲线下面的面积。,（11-15）,11.2.2 斯忒藩-玻耳兹曼定律,斯忒藩（J.Stefan）玻耳兹曼（D.Boltzmann）定律又称四次方定律，它用于确定黑体的辐射力。,黑体辐射常数，b =5.67108W（m2K4） 黑体辐射系数，Cb =5.67W（m2K4）,或,（11-17）,（11-16）,11.3 实际物体的辐射,11.3.1 实际物体的辐射与吸收特性,（11-20）,（11-21）,实际物体的辐射力计算公式可表示为:,11.3.2 基尔霍夫定律,基尔霍夫定律表明在孤立体系热平衡条件下物体的黑度等于其对同温度黑体辐射的吸收率。从下列两

6、种辐射换热过程任意一个都可推导出来。,（11-24）,（11-25）,（11-26）,必须强调的是,在非热平衡体系中，实际物体的黑度与吸收率不一定相等 。不论何种材料当投入辐射的波长较大时，即处于红外辐射范围时，其单色吸收率均在一个较小的范围内变化。物体表面的单色吸收率随波长变化的特性称为物体表面对波长（光谱）的选择性。 由于实际物体的辐射能选择性吸收特性，使研究实际物体的热辐射问题变得很复杂，给工程计算造成了一定的麻烦。为简化问题，将实际物体理想化，而引入了“灰体”的概念。,11.3.3 灰体,灰体的辐射力遵守斯忒藩玻耳兹曼定律,（11-27）,自然界并不存在灰体，灰体也是一种理想物体。,灰

7、体是指单色吸收率与波长无关的物体， 即= 常数,11.4 物体之间辐射换热的计算,基本计算方法是空腔法 把物体构想成在半球空间中的相互辐射，即在计算任一表面与其它表面的辐射换热时，必须考虑所有参与辐射换热的表面，把它们看成一个封闭腔来分析。组成辐射空腔的任一表面辐射的能量会按不同的百分比辐射到其它各个表面上，同时，其它各表面辐射的能量也会按不同的百分比辐射到该表面上 ，这个“百分比”称为辐射角系数 。,11.4.1 角系数,11.4.1.1 角系数的定义,角系数反映的是物体的几何形状、尺寸和相对位置等几何因素对物体间辐射换热的影响 ，是一个纯几何因子 ，可以用数学分析法、查曲线图法、投影法或几

8、何图形法等方法来确定。,11.4.2 辐射换热网络法,由式（11-29）及式（11-30）可知，两黑体表面间的辐射换热量,（11-35）,投射辐射：单位时间内外界投射到 物体表面的单位面积上的辐射能。 用符号G表示。 有效辐射：单位面积上本身的辐射 和反射的辐射能之和。用符号J表示。,(a),物体表面净辐射换热量,(b),由（a）、（b）两式中消去G得到换热量,(11-36a),表面热阻网络单元,根据角系数的相对性得,空间任意两个灰体表面之间的辐射换热，它们在单位时间内交换的热量为：,(11-36b),空间热阻网络单元,空间任意两个灰体表面之间的辐射换热,由能量守恒定律 Q12 = -Q21,

9、（a）,（b）,（c）,（11-36c）,将式（a）、（b）、（c）代入式（11-36b）得,图11-14 空间任意两个灰体表面之间的辐 射换热热阻网络,11.4.3 网络法的应用,11.4.3.1 两平行大板间的辐射换热,图11-15 两平行大板间的 辐射换热,对于（a）、（b）、（c）三种情形，A1面为非凹面，发出的辐射能不存在自我吸收的情况，则有1-2=1。则式（11-36c）被简化为,11.4.3.1 组成封闭空间的两物体之间的辐射换热,（11-38）,当凸表面较其包腔内表面小得多时,此时式（11-38）被简化为,（11-39）,热辐射的主要特点,（1）所有温度大于0K的物体都具有发射热辐射的 能力，温度愈高，发射热辐射的能力愈强。,（2）所有实际物体都具有吸收热辐射的能力。,（3）热辐射不依靠中间媒介，可以在真空中传播。,（4）物体间以热辐射的方式进行的热量传递是双向的。 （5）在红外范围内，绝大多数固体和液体的发射和吸收均只发生在表面以下很浅的距离内，即仅取决于材料表面的性质、特征和温度，与其内部状况无关。,热辐射是热量传递的基本方式之一 。,辐射换热 以热辐射的方式进行的能量交换。,影响物体之间的辐射换热量因素