工程热力学第十七章.ppt

第十七章第十七章 辐射换辐射换热热第一节第一节 热辐射的基本概念热辐射的基本概念第二节第二节 热辐射的基本定律热辐射的基本定律第三节第三节 物体间的辐射换热物体间的辐射换热第四节第四节 太阳辐射太阳辐射第一节第一节 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 一、热辐射一、热辐射(thermal radiation)的本质的本质 物体中的原子内部，处于束缚态的电子从高能态能级向低能态能级跃迁时，由于电子跃迁所释放的能量就以交替变化的电磁波向四周放射出去，这种能量就叫做辐射能。辐射能是原子内部复杂激动的结果。物体的温度只要高于绝对零度，它便不可避免地发射出辐射能，物体的温度愈高则发射的辐射能量愈多。热辐射是不依赖任何介质、用电磁波来传递热能的一种热传递方式，辐射换热是可以在真空中以光速进行的热传递过程。根据不同波长范围的电磁波效应和用途，分为宇宙射线、射线、x射线、紫外线、可见光、红外线和无线电波等。热射线的波长主要位于0.4100m的范围内，其中包括可见光（波长0.40.7m）和红外线（波长0.725m的近红外线和波长25100m的远红外线）。热射线二、物体的吸收率、反射率和穿透率二、物体的吸收率、反射率和穿透率QA/Q 物体的吸收率吸收率A QR/Q 物体的反射率反射率RQD/Q 物体的穿透率穿透率DA+R+D=1A=1的物体称为黑体黑体(black body)R=1的物体称为白体白体D=1的物体称为透明体透明体黑体的一切量，都用下标“0”表示颜色的深浅对可见光的吸收率影响较大。对红外线来说，吸收率主要取决于物体表面的粗糙度，不管什么颜色，平滑面和磨光面，其反射率都要比粗糙面高好几倍。三、辐射力和单色辐射力三、辐射力和单色辐射力气体对于辐射能几乎不反射，R0，A+D=1。当辐射能投射到固体或液体的表面时，在进入表面很小距离内即被吸收完毕，D0，A+R=1。凡是善于吸收的物体（A比较大），就不善于反射（R较小），善于反射的物体，则不善于吸收。1、辐射力辐射力：物体每单位表面积在单位时间内所放射出去的从=0到=的一切波长的辐射总能量。2、单色辐射力：单色辐射力：在到d的波长范围内，物体辐射力为dE，dE除以该波长间隔d所得的商。立体角立体角(solid angle)：球面上的给定面积对球心所张的球面角，它的大小用该面积除以球面半径的平方来计算。单位用符号sr（球面度）表示。可见面积：可见面积：沿P方向发射的辐射能，dA的可见面积就是其在与P垂直方向的投影面积。ndApn方向：可见面积为dAp方向：可见面积为dAcos=90，可见面积为03、定向辐射强度定向辐射强度(directional radiation intensity)：单位时间内与发射方向垂直的单位可见面积在单位立体角内所发射的辐射能。第二节第二节 热辐射的基本定律热辐射的基本定律 一、普朗特定律（一、普朗特定律（Plancks law)各种不同温度下黑体的单色辐射力按波长变化的规律。二、维恩位移定律二、维恩位移定律(Wiens displacement law)在一定温度下，对应于最大单色辐射力的波长m，与该黑体热力学温度T成反比。三、斯蒂芬三、斯蒂芬-波尔兹曼定律波尔兹曼定律(Stefan-Boltzmanns law）黑体的辐射力与其本身热力学温度的四次方成正比。物体表面在半球空间各方向上，如定向辐射强度均相等，即Ip,1=Ip,2=-=In则该物体表面称为漫辐射漫辐射表面，表面，只有绝对黑体表面才是是漫辐射表面。兰贝特定律：兰贝特定律：绝对黑体表面沿半球空间各方向上，定向辐射强度均相等。四、兰贝特定律四、兰贝特定律(Lamberts law)单位时间内，黑体表面积沿半球空间不同方向在单位立体角内所发射的辐射能是不同的。对于黑体黑体微元面积dA向半球空间发射的辐射能量dQ0,dA黑体辐射力等于其定向辐射强度黑体辐射力等于其定向辐射强度I0的的 倍。倍。黑体辐射能量按波长分布服从普朗克定律，按空间分布服从兰贝特定律，辐射力的大小由斯蒂芬波尔兹曼定律确定。维恩位移定律揭示了最大单色辐射力的分布规律。五、基尔霍夫定律（五、基尔霍夫定律（Kirchhoffs law)物体辐射力与吸收率的联系。表面2辐射换热收支差额：热平衡时T=T0，q=0基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：任何物体的辐射力与吸收率的比值恒等于同温度下的绝对黑体的辐射力，而与物体的性质无关。对任何物体1、基尔霍夫定律的数学表达式：、基尔霍夫定律的数学表达式：A1，所以，在任何温度下，各种物体中以绝对黑体的辐射力为最大。物体的辐射力越大，它的吸收率也越大。2、黑度、黑度(blackness or emissivity)：实际物体的辐射力E与同温度下绝对黑体的辐射力E0之比称为“黑度”。在温度相等的热平衡条件下，物体的黑度恒等于它的吸收率，即黑度表明物体辐射力接近黑体辐射力的程度，是分析和计算辐射换热的一个重要参数。同一物体的黑度随本身的温度和表面状态而不同。单色黑度：单色黑度：物体的单色辐射力E与同温度下绝对 黑体的单色辐射力E0,之比，即：3、灰体（、灰体（gray body)：如在所有波长下，物体的单色辐射力E与同温度、同波长下绝对黑体的单色辐射力E0,之比为定值，这样的物体称为“灰体”。实际物体其值与波长无关，且小于1。灰体的灰体的性质性质：灰体1、灰体的辐射光谱是连续的，而且曲线与同温度下绝对黑体的光谱曲线相似。2、灰体的吸收率等于其黑度，与投射无关。大多数工程材料在热射线范围内可被视为灰体。斯蒂芬波尔兹曼定律也适用于灰体：为灰体的辐射系数任何物体的辐射力恒小于同温度下黑体的辐射力。第三节第三节 物体间的辐射换物体间的辐射换热热 一、黑体间的辐射换热一、黑体间的辐射换热角系数角系数(angle factor)：表面1发射的辐射能落在表面2上的百分数，用X1,2表示，X1,2称为表面1对表面2的角系数。X2,1称为表面2对表面1角系数。1、2两表面间的辐射换热量Q1,2为温度相等的热平衡条件下：两表面在辐射换热时其角系数具有相对性。同样适用于不等温灰体表面间的辐射换热计算。两表面辐射换热的空间热阻空间热阻三个黑体表面组成的封闭空腔的辐射换热：封闭空腔内的角系数具有完整性。若平面1为平面或凸面时X1,10二、灰体间的辐射换热和有效辐射二、灰体间的辐射换热和有效辐射投射辐射 ：投射到表面1上的外来辐射。吸收辐射 ：被表面1吸收的部分。反射辐射 ：被表面1反射的部分。本身辐射 ：表面1的辐射力。有效辐射有效辐射 ：表面1的本身辐射和反射辐射的总和。表面1与外界的辐射换热量Q1：称为灰体的“表面热阻表面热阻”。黑度越大，则表面热阻越小。两灰体间的辐射换热的计算三个灰体间的辐射换热的计算三、三、2个灰体间的辐射换热个灰体间的辐射换热Cs系统辐射系数间距较两相互平行的平壁尺寸小得多的辐射换热系统：A2A1时的辐射换热四、遮热板（四、遮热板（thermal shield)的应用的应用遮热板：遮热板：插入辐射换热表面之间以削弱辐射换热的薄板。在两灰体表面间插入与灰体黑度相等的薄板，其辐射换热减少一半。遮热板减少热辐射的原因对受射体来说，遮热板成了发射体，而T3T1；发射体与受射物体间的温度降落，原来是一次的，有了遮热板就分为多次降落，这样受射体获得的热量就减少了。实际工程中，为了有效削弱辐射换热，往往采用黑度较低的金属薄板作为遮热板。例例1 在黑度为0.8的两个平行面之间插入一块黑度为0.05的抛光铝片。求其辐射换热量是未插入遮热板的多少分之一。解：例例2 热空气在没有热绝缘材料包扎的管道内流过，管道直径D100mm（如图）。现在用具有直径d=15mm保护套的热电偶来测量空气的温度，空气流速w=5m/s,空气对保护套的换热系数=21.7W/(m2 K)，管道内壁温度tw=138,保护套管表面的黑度1=0.816，此时用热电偶测得的温度t1=175.2，求此时热空气的真正温度与测出的温度间的误差是多少？解：解：热电偶保护套的热平衡在管道上包以绝热材料，或在热电偶保护套外面加遮热套，都会减小测量误差，而以加遮热套效果最为显著。第四节第四节 太阳辐射太阳辐射温室的“加热效应”