热工学基础精.ppt

《热工学基础精.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热工学基础精.ppt（39页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、热工学基础第1页，本讲稿共39页本章主要内容本章主要内容v辐射换热的基本概念辐射换热的基本概念v辐射换热基本定律辐射换热基本定律v辐射换热的计算方法辐射换热的计算方法第2页，本讲稿共39页12.1 12.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 12.1.1 吸收、反射与透射吸收、反射与透射 投投入入辐辐射射:单单位位时时间间内内投投射射到到单单位位面面积积物物体体表表面面上上的的全全波波长长范范围围内内的的辐射能。辐射能。G G w/mw/m2 2 反射辐射反射辐射:G w/m2 吸收辐射吸收辐射:G G w/mw/m2 透射辐射透射辐射:G w/m2 G 可能被吸收、反射或穿透可能被吸收、反射

2、或穿透第3页，本讲稿共39页吸收比吸收比 反射比反射比透射比透射比 根据能量守恒根据能量守恒，如果投入辐射是某一波长如果投入辐射是某一波长的辐射能的辐射能G ，则，则 光谱吸收比光谱吸收比 光谱反射比光谱反射比 光谱透射比光谱透射比光谱透射比光谱透射比 12.1 12.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 12.1.1 吸收、反射与透射吸收、反射与透射第4页，本讲稿共39页 注意两点注意两点 （1 1）属属于于物物体体的的辐辐射射特特性性，取取决决于于物物体的种类、温度和表面状况，是波长的函数。体的种类、温度和表面状况，是波长的函数。不不仅仅取取决决于于物物体体的的性性质质，还还与与投投射射辐

3、辐射射能的波长分布有关。能的波长分布有关。（2 2）固固体体和和液液体体对对辐辐射射能能的的吸吸收收和和反反射射基基本本上上属属于于表面效应（表面效应（1 1m-1mm)m-1mm)。（3 3）对于气体）对于气体=0=0第5页，本讲稿共39页举举 例例冬天，隔着玻璃晒太阳感觉更暖和，冬天，隔着玻璃晒太阳感觉更暖和，为什么？为什么？普通玻璃对太阳辐射的光几乎完全穿普通玻璃对太阳辐射的光几乎完全穿透，而对常温下室内物体的红外辐射透，而对常温下室内物体的红外辐射热量被阻挡在房间内，这一现象类似热量被阻挡在房间内，这一现象类似与与“温室效应温室效应”。海水的颜色为什么总是蓝色的？海水的颜色为什么总是蓝

4、色的？海水对不同波长的可见光吸收率不海水对不同波长的可见光吸收率不同，对蓝色波长附近的射线吸收少，同，对蓝色波长附近的射线吸收少，反射多，所以呈蓝色。反射多，所以呈蓝色。第6页，本讲稿共39页 镜反射与漫反射镜反射与漫反射 产产产产生生生生何何何何种种种种反反反反射射射射决决决决于于于于物物物物体体体体表表表表面面面面的的的的粗粗粗粗糙糙糙糙尺尺尺尺度度度度和和和和投投投投射射射射辐辐辐辐射射射射能能能能的波长的波长的波长的波长 。(a)(a)镜反射镜反射 (b)(b)漫反射漫反射 绝大数工程材料对热辐射的反射都近似漫反射。绝大数工程材料对热辐射的反射都近似漫反射。绝大数工程材料对热辐射的反射

5、都近似漫反射。绝大数工程材料对热辐射的反射都近似漫反射。第7页，本讲稿共39页12.1.2 灰体与黑体灰体与黑体 灰体灰体：光光谱谱辐辐射射特特性性不不随随波波长长而而变变化化的的假假想想物物体体，即即 分别等于常数。分别等于常数。工程常见的温度范围（工程常见的温度范围（2000K)2000K)内，一般工程材料的光内，一般工程材料的光谱吸收比基本与波长无关，所以谱吸收比基本与波长无关，所以 工业上的辐射传热计算一般工业上的辐射传热计算一般都按都按灰体处理灰体处理。第8页，本讲稿共39页注意：注意：注意：注意：黑体、白体与黑色、黑体、白体与黑色、白色物体的区别。白色物体的区别。人工黑体模型人工黑

6、体模型人工黑体模型人工黑体模型 镜体（白体）：镜体（白体）：镜体（白体）：镜体（白体）：=1=1 绝对透明体绝对透明体 ：=1=1 绝对黑体：绝对黑体：12.1.2 灰体与黑体灰体与黑体 吸吸收收比比=1的的的的物物物物体体体体，简简简简称称称称黑黑黑黑体体体体。黑黑黑黑体体体体和和和和灰灰灰灰体一样，是一种理想物体。体一样，是一种理想物体。体一样，是一种理想物体。体一样，是一种理想物体。第9页，本讲稿共39页福建永定客家土楼福建永定客家土楼第10页，本讲稿共39页12.1.3 辐射强度辐射强度 立立体体角角：半半径径为为r的的球球面面上上面面积积A与与与与球球球球心心心心所所所所对对对对应应

7、应应的的的的空空空空间间间间角度。其大小为：角度。其大小为：角度。其大小为：角度。其大小为：单单单单位位位位为为为为SrSr（球球面面度度），半半球球空空间立体角为间立体角为 2 sr立体角在球面上所立体角在球面上所围的面积与半径的围的面积与半径的平方成正比。平方成正比。辐辐辐辐射射射射强强强强度度度度说说明明物物体体表表面面在在空空间间某某个个方方向向上上发发射射辐辐射射能能的多少。的多少。第11页，本讲稿共39页辐射强度辐射强度：单单单单位位位位时时时时间间间间内内内内从从从从单单单单位位位位投投投投影影影影面面面面积积积积（可可可可见见见见面面面面积积积积）所所所所发发发发出出出出的的的

8、的包包包包含含含含在在在在单单单单位位位位立立立立体体体体角角角角内的辐射能。内的辐射能。内的辐射能。内的辐射能。称称为为dA1在在在在（，）方方向向的的辐辐射射强强度度，或称为或称为定向辐射强度定向辐射强度定向辐射强度定向辐射强度，单位是，单位是，单位是，单位是W/(mW/(m2 Sr)。12.1.3 辐射强度辐射强度 dA1 1向向dAdA2 2发发射射的的辐辐射射能能为为d d d d，dA1在在方向的投影面积为方向的投影面积为方向的投影面积为方向的投影面积为dAdAdAdA1 1coscos 第12页，本讲稿共39页 辐辐射射强强度度的的大大小小不不仅仅取取决决于于物物体体种种类类、表

9、表面面性性质质、温温度度，还还与与方方向向有有关关。对对于于各各向向同同性性的的物物体体表表面面，辐辐射射强强度度与与经经度度角角 无关无关,对对某某一一波波长长辐辐射射能能而而言言的的辐辐射射强度。强度。光谱辐射强度：光谱辐射强度：辐射强度与光谱辐射强度之间的关系辐射强度与光谱辐射强度之间的关系 光谱辐射强度的单位为光谱辐射强度的单位为光谱辐射强度的单位为光谱辐射强度的单位为W/(m3 Sr)或或或或W/(m2m Sr)Sr)。12.1.3 辐射强度辐射强度 第13页，本讲稿共39页 12.1.4 辐射力辐射力 在在单单位位时时间间内内内内，每每每每单单位位面面积积表表面面向向其其上上半半半

10、半球球球球空空空空间间间间发发发发射射射射的的的的全全部部波波长长的的辐辐射射能能。用用E表表示示，单单位位为为W/m2。黑黑体体的的辐辐射射力力E Eb b b b.光谱辐射力光谱辐射力：某一波长辐射能的辐射力用某一波长辐射能的辐射力用某一波长辐射能的辐射力用某一波长辐射能的辐射力用E E表示，单位为表示，单位为表示，单位为表示，单位为W/m3。辐射力与光谱辐射力之间的关系辐射力与光谱辐射力之间的关系 定向辐射力定向辐射力定向辐射力定向辐射力：在在在在单单位位时时间间内内内内，单单单单位位位位面面面面积积积积表表面面向向某某方方向向发发射的射的单位立体角单位立体角单位立体角单位立体角内的辐射

11、能。用内的辐射能。用E 表示，单位为表示，单位为W/(m2 sr)sr)。第14页，本讲稿共39页定向辐射力定向辐射力定向辐射力定向辐射力与与与与辐射力辐射力之间的关系：之间的关系：定向辐射力定向辐射力定向辐射力定向辐射力与与与与辐射强度辐射强度辐射强度辐射强度之间的关系：之间的关系：辐射力辐射力与与辐射强度辐射强度之间的关系：之间的关系：之间的关系：之间的关系：12.1.4 辐射力辐射力 E-辐射力辐射力Eb-黑体辐射力黑体辐射力E-光谱光谱辐射力辐射力E-定向辐射力定向辐射力第15页，本讲稿共39页12.2 12.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律 1.1.普朗克（普朗克（M.Pla

12、nckM.Planck）定律）定律 2.2.斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)(Stefan-Boltzmann)定律定律 3.3.兰贝特（兰贝特（LambertLambert）定律）定律第16页，本讲稿共39页12.2.1 普朗克定律普朗克定律C1=3.74310-16 Wm2;C2=1.43910-2 mK。1901年普朗克提出的年普朗克提出的黑体黑体辐射能按波长的分布规律辐射能按波长的分布规律该定律给出了黑体光谱辐该定律给出了黑体光谱辐射力随波长和温度的函数射力随波长和温度的函数关系：关系：第17页，本讲稿共39页12.2.1 普朗克定律普朗克定律特点：特点

13、：特点：特点：（1 1）温温度度愈愈高高，同同一一波波长长下下的光谱辐射力愈大；的光谱辐射力愈大；（2 2）在在一一定定的的温温度度下下，黑黑体体的的光光谱谱辐辐射射力力在在某某一一波波长长下下具具有最大值；有最大值；（3 3）随随着着温温度度的的升升高高，E Eb 取取得得最最大大值值的的波波长长 max愈愈愈愈来来来来愈愈愈愈小小小小，即在即在即在即在坐标中的位置向短波方向移动。坐标中的位置向短波方向移动。第18页，本讲稿共39页维恩维恩（Wien）位移定律位移定律 12.2.1 普朗克定律普朗克定律对最大的对最大的Eb的波长的波长maxmax与温度与温度T T存在关系存在关系室温下呈黑色

14、室温下呈黑色的铁棒在炉中的铁棒在炉中加热时，颜色加热时，颜色渐呈暗红、红、渐呈暗红、红、橙黄，为什么橙黄，为什么？随着铁棒加热，温度升随着铁棒加热，温度升高。其辐射能量最大波高。其辐射能量最大波长向短波方向移动，即长向短波方向移动，即经历了由远红外线、近经历了由远红外线、近红外线到可见光的区域，红外线到可见光的区域，因而会呈现上述颜色的因而会呈现上述颜色的变化变化。第19页，本讲稿共39页 12.2.2 12.2.2 斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律表达式：玻耳兹曼定律表达式：玻耳兹曼定律表达式：玻耳兹曼定律表达式：式式中中=5.67105.6710-8 W/(m

15、2 K K4 4)，称称为为斯斯斯斯忒忒忒忒藩藩藩藩玻玻耳耳兹兹曼曼常常数数，又称为又称为又称为又称为黑体辐射常数黑体辐射常数。（四次方定律）（四次方定律）斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律表达式可直接由下式导出表达式可直接由下式导出表达式可直接由下式导出表达式可直接由下式导出 ：第20页，本讲稿共39页 波段辐射力波段辐射力 波段辐射力波段辐射力 占黑体辐射力占黑体辐射力Eb的百分数的百分数 12.2.2 12.2.2 斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 第21页，本讲稿共39页 称称为为黑黑体体辐辐射射函函数数，表表示示温温度度为为T 的的黑黑体体所所发发射射的的辐辐射射能能中中在在波

16、波段段（0）内内的的辐辐射射能能所所占占的的百百分分数。数。根据普朗克定律表达式根据普朗克定律表达式根据普朗克定律表达式根据普朗克定律表达式 利利利利用用用用黑黑黑黑体体体体辐辐辐辐射射射射函函函函数数数数数数数数值值值值表表表表(p241(p241表表12-1)12-1)12-1)12-1)可可以以很很容容易易地地用用下下式计算黑体在某一温度下发射的任意波段的辐射能量。式计算黑体在某一温度下发射的任意波段的辐射能量。12.2.2 12.2.2 斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 第22页，本讲稿共39页12.2.3 12.2.3 兰贝特定律兰贝特定律 兰兰贝贝特特定定律律:黑黑体体的的的的

17、辐辐辐辐射射射射强强强强度度度度与与与与方方向向无无无无关关关关，半半半半球球球球空空空空间间间间各各各各方方方方向向向向上的辐射强度都相等。上的辐射强度都相等。上的辐射强度都相等。上的辐射强度都相等。漫发射体漫发射体空间各个方向上辐射强度都相等的物体。空间各个方向上辐射强度都相等的物体。此时，漫射体的辐射强度类似于此时，漫射体的辐射强度类似于此时，漫射体的辐射强度类似于此时，漫射体的辐射强度类似于灯泡的亮度，即从任何方向看过去灯泡的亮度，即从任何方向看过去灯泡的亮度，即从任何方向看过去灯泡的亮度，即从任何方向看过去亮度相同。亮度相同。亮度相同。亮度相同。根据定向辐射力与辐射强度的关系根据定向

18、辐射力与辐射强度的关系 兰贝特定律也称为兰贝特定律也称为兰贝特定律也称为兰贝特定律也称为余弦定律余弦定律第23页，本讲稿共39页三大定律小结三大定律小结1 1、四次方定律、四次方定律 ：描述黑体在某一温度下向半球空间描述黑体在某一温度下向半球空间所有方向辐射的全部波长的能量，即对方向和波长所有方向辐射的全部波长的能量，即对方向和波长都积分的结果；都积分的结果；2 2、普朗克定律：、普朗克定律：描述黑体在某一温度下向半球空间所有描述黑体在某一温度下向半球空间所有方向辐射的能量方向辐射的能量沿波长分布沿波长分布的规律，即只对方向积分，的规律，即只对方向积分，但研究的是某一波长；但研究的是某一波长；

19、3 3、兰贝特（、兰贝特（LambertLambert）定律：）定律：描述黑体在某一温度下所辐描述黑体在某一温度下所辐射的全部波长的能量射的全部波长的能量沿半球空间方向上的分布规律沿半球空间方向上的分布规律，即只对波长积分，但研究的是某一方向。对黑体而言，即只对波长积分，但研究的是某一方向。对黑体而言，辐射强度是常数。辐射强度是常数。第24页，本讲稿共39页12.3 实际物体的辐射特性与基尔霍夫定律实际物体的辐射特性与基尔霍夫定律12.3.1 实际物体的发射特性实际物体的发射特性 发射率（黑度）发射率（黑度）发射率（黑度）发射率（黑度）：发射率反映了物体发射辐射能的能力的大小。发射率反映了物体

20、发射辐射能的能力的大小。光谱发射率（光谱黑度）：光谱发射率（光谱黑度）：光谱发射率（光谱黑度）：光谱发射率（光谱黑度）：发射率发射率发射率发射率与与与与光谱发射率光谱发射率之间的关系为之间的关系为 对于灰体，对于灰体，常数常数，同温度同温度同温度同温度 第25页，本讲稿共39页 实际物体的辐射力实际物体的辐射力实际物体的辐射力实际物体的辐射力 实实际际物物体体的的辐辐射射力力并并不不严严格格遵遵循循四四次次方方定定律律，所所存存在在的的偏偏差差包包含含在在由由实实验验确定的发射率数值之中。确定的发射率数值之中。定向发射率（定向黑度）：定向发射率（定向黑度）：实实实实际际际际物物物物体体体体不不

21、不不是是是是漫漫漫漫发发发发射射射射体体体体，定定定定向向向向发发发发射射射射率率率率是是是是方方方方向角向角向角向角 的函数。的函数。的函数。的函数。12.3.1 实际物体的发射特性实际物体的发射特性 第26页，本讲稿共39页12.3.2 实际物体的吸收特性实际物体的吸收特性 实实际际物物体体的的光光谱谱吸吸收收比比也也与与黑黑体体、灰灰体体不不同同，是是波波长的函数。长的函数。几种金属材料的光谱吸收比几种金属材料的光谱吸收比第27页，本讲稿共39页几种非金属材料的光谱吸收比几种非金属材料的光谱吸收比 辐辐射射特特性性随随波波长长变变化化的的性性质质称称为为辐辐射射特特性性对对波波长长的的选

22、选择择性性。实实际际物物体体的的吸吸收收比比不不仅仅取取决决于于物物物物体体体体本本本本身身身身材材材材料料料料的的的的种种种种类类类类、温温温温度度度度及及及及表表表表面面面面性性性性质质质质，还还还还和和和和投投投投入入入入辐辐辐辐射射射射的的的的波波波波长长长长分分分分布布布布有有有有关关关关，因此和投入辐射能的发射体温度有关。因此和投入辐射能的发射体温度有关。因此和投入辐射能的发射体温度有关。因此和投入辐射能的发射体温度有关。12.3.2 实际物体的吸收特性实际物体的吸收特性 第28页，本讲稿共39页12.3.3 基尔霍夫基尔霍夫（G.R.Kirchhoff）定律定律 基基基基尔尔尔尔

23、霍霍霍霍夫夫夫夫定定定定律律律律揭揭揭揭示示示示了了了了物物物物体体体体吸吸吸吸收收收收辐辐辐辐射射射射能能能能的的的的能能能能力力力力与与与与发发发发射射射射辐辐辐辐射射射射能的能力之间的关系，其表达式为能的能力之间的关系，其表达式为能的能力之间的关系，其表达式为能的能力之间的关系，其表达式为 说说说说明明明明吸吸收收辐辐射射能能能能力力愈愈强强的的物物体体的的发发射射辐辐射射能能的的能能力力也也愈愈强强。在在在在温温温温度度度度相相相相同同同同的的的的物物物物体体体体中中中中，黑黑黑黑体体体体吸吸吸吸收收收收辐辐辐辐射射射射能能能能的的的的能能能能力力力力最最最最强，发射辐射能的能力也最强

24、。强，发射辐射能的能力也最强。强，发射辐射能的能力也最强。强，发射辐射能的能力也最强。对于漫射、灰体，辐射特性与波长无关，对于漫射、灰体，辐射特性与波长无关，第29页，本讲稿共39页12.4 辐射换热的计算方法辐射换热的计算方法 基本假设基本假设基本假设基本假设：（1 1）进进行行辐辐射射换换热热的的物物体体表表面面之之间间是是不不参参与与辐辐射射的的介介质质(单原子或结构对称的双原子气体、空气单原子或结构对称的双原子气体、空气)或真空；或真空；（2 2 2 2）每个表面都是漫射、灰体或黑体表面；每个表面都是漫射、灰体或黑体表面；（3 3）每个表面的温度、辐射特性及投入辐射分布均匀。每个表面的

25、温度、辐射特性及投入辐射分布均匀。任意放置的两任意放置的两黑体黑体表面之间的辐射换热表面之间的辐射换热表面表面1发出的辐射能发出的辐射能表面表面2发出的辐射能发出的辐射能A1T1A2T2第30页，本讲稿共39页12.4 12.4 辐射换热的计算方法辐射换热的计算方法 表面表面1发出的辐射能落到表面发出的辐射能落到表面2上的百分数上的百分数表示为：表示为：表面表面2发出的辐射能落到表面发出的辐射能落到表面1上的百分数上的百分数表示为：表示为：X1,2称为表面称为表面1对表面对表面2的角系数的角系数X1,2称为表面称为表面1对表面对表面2的角系数的角系数A1T1A2T2第31页，本讲稿共39页12

26、.4 12.4 辐射换热的计算方法辐射换热的计算方法 由于是黑体，能吸收落到其表面上的全部能量由于是黑体，能吸收落到其表面上的全部能量两表面间的净换热量两表面间的净换热量如果两表面处于热平衡，如果两表面处于热平衡，T1=T2两表面间的净换热量两表面间的净换热量1,21,2=0,=0,1 1、定义、定义 从从表表面面1 1 1 1发发发发出出出出的的总总辐辐射射能能中中落落落落到到到到表表面面2 2 2 2上上上上份份份份额额额额称为表面称为表面称为表面称为表面1 1 1 1对表面对表面2 2 2 2的角系数，用符号的角系数，用符号的角系数，用符号的角系数，用符号X1,21,2表示。表示。表示。

27、表示。第32页，本讲稿共39页 2.2.角系数的性质角系数的性质 1 1）相对性（互换性）：）相对性（互换性）：2 2）完整性：）完整性：）完整性：）完整性：（由（由n个表面组成的封闭系统）个表面组成的封闭系统）非凹表面：非凹表面：Xi,i=0 角角系系数数是是纯纯几几何何量量，只只取取决决于于两两个个物物体体表表面面的的几几何何形状、大小和相对位置。形状、大小和相对位置。角系数的基本属性：角系数的基本属性：角系数的基本属性：角系数的基本属性：第33页，本讲稿共39页 3 3）角系数的可加性：）角系数的可加性：3.3.角系数的计算方法角系数的计算方法 有积分法、代数法、图解法有积分法、代数法、

28、图解法有积分法、代数法、图解法有积分法、代数法、图解法(或投影法或投影法或投影法或投影法)等等等等 1 1 1 1）积分法：）积分法：根据角系数表达式通过积分运算求得角系数根据角系数表达式通过积分运算求得角系数 2.2.角系数的性质角系数的性质 第34页，本讲稿共39页 2 2）代数法：）代数法：利用角系数的定义及性质利用角系数的定义及性质,通过代数运算确定角系数。通过代数运算确定角系数。3.3.角系数的计算方法角系数的计算方法 三个非凹表面构成的封闭空腔三个非凹表面构成的封闭空腔 完整性：完整性：完整性：完整性：相对性：相对性：相对性：相对性：六个未知量，六个方程六个未知量，六个方程六个未知

29、量，六个方程六个未知量，六个方程 ，方程组可解。，方程组可解。，方程组可解。，方程组可解。第35页，本讲稿共39页 3.3.角系数的计算方法角系数的计算方法 第36页，本讲稿共39页交叉线法交叉线法交叉线法交叉线法根据角系数的完整性，有：根据角系数的完整性，有：根据角系数的完整性，有：根据角系数的完整性，有：其中：其中：其中：其中：则：则：则：则：文字表述：文字表述：文字表述：文字表述：3.3.角系数的计算方法角系数的计算方法 第37页，本讲稿共39页第十二章小结第十二章小结 重点掌握以下内容：重点掌握以下内容：（1 1 1 1）基基本本概概念念：吸吸收收比比、反反射射比比、透透射射比比、黑黑体体、灰灰体体、漫漫射射体体、辐辐射射强强度度、辐辐射射力力、发发射射率率（黑黑度度）、角系数等；角系数等；（2 2 2 2）基基本本定定律律：普普朗朗克克定定律律、斯斯忒忒藩藩玻玻耳耳兹兹曼曼定定律律、维恩位移定律、兰贝特定律、维恩位移定律、兰贝特定律、基尔霍夫定律；基尔霍夫定律；基尔霍夫定律；基尔霍夫定律；第38页，本讲稿共39页 本章结束本章结束第39页，本讲稿共39页