辐射换热教程.pptx

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1、6.l 热辐射的基本概念热辐射的本质 热辐射:物体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第1页/共54页电磁波谱 热辐射是电磁辐射(电磁波)的一种第2页/共54页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:1.不依靠物质接触进行传热;2.辐射过程伴随能量形式的转化;3.一切温度高于0 K的物体都会不停地发射热射线.第3页/共54页6.1.2辐射能的吸收、反射和透过 图6-2 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第

2、4页/共54页镜面反射和漫反射: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第5页/共54页绝对透明体：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在黑体的基础上得出的。第6页/共54页绝对黑体模型: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

3、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.第7页/共54页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 第8页/共54页图6-5 立体角的定义立体角：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）第9页/共54页有关辐射力的定义间的关系式 第10页/共54页

4、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 辐射强度定义第11页/共54页普朗克定律 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、温度的关系第12页/共54页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的函数关系第13页/共54页维恩定律 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

5、图6-7 黑体E和波长、温度的关系钢锭加温时：黑红白波长测温第14页/共54页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 第15页/共54页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 第16页/共54页兰贝特定律 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

6、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。第17页/共54页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 第18页/共54页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 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 第19页/共54页实际物体的辐射力可用下式表示：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

7、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。第20页/共54页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

8、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 第21页/共54页灰体：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。第22页/共54页基尔霍夫定律 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：E Eb b、T Tb b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

9、力。与黑体热平衡的条件下才能成立 第23页/共54页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。第24页/共54页灰体的辐射和吸收的规律性与黑体完全相同，只是数量上有差别 第25页/共54页6.4 黑体间的辐射换热及角系数角系数：表面1

10、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）第26页/共54页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

11、第27页/共54页角系数线算图 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第28页/共54页1,2两同轴平行圆盘间的角系数 第29页/共54页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 第30页/共54页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：根据角系数的相对性有：联立求解上述六元一次方程

12、，即可分别求得未知的6个角系数 例如（6-29）第31页/共54页图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 1 1 1，2 2 1 1，3 31 1，4 41 1 1 1，1 1 0 1 1，2 21 11 1，3 3 1 1，4 4利用式（6-29），对三角形135，146分别求出1 1，3 3、1 1，4 4代如上式，则345612第32页/共54页6.5 灰体表面间的辐射换热有效辐射 离开表面的总辐射能称为有效辐射，用符号J J1表示 图6-18 有效辐射的示意图灰体表面的温度：T1

13、吸收率：A1本身辐射：E1投入辐射：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 第33页/共54页辐射热阻图6-18 有效辐射的示意图面积F 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第34页/共54页图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

14、灰体表面之间的辐射换热量：F1F2由于 J2F2第35页/共54页空间辐射热阻，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）第36页/共54页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。第37页/共54页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

15、度、温度分别为F1F1和F2F2、1 1和2 2、T1T1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 第38页/共54页（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。第39页/共54页辐射屏 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T1T1

16、和1 1、T3T3和 3 3由辐射网络图可知它们之间的辐射换热量 图6-23 辐射网络因第40页/共54页若在两平板间设置一薄屏，设薄屏的黑度为 2 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。第41页/共54页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 第42页/共54页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-

17、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第43页/共54页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：第44页/共54页各个表面的净辐射换热量：网络法总结：1.画出等效网络图；2.列出节点的热流方程；3.求解节点代数方程得出节点处有效辐射；4.按上面公式确定各个表面的净辐射换热量。第45页/共54页 图6-24 3个灰表面间的辐

18、射网络解 本题是图6-24所示的3个灰体 表面间换热问题。板的外侧面不考虑。第46页/共54页而计算网络中各个热阻值：把以上各热阻值表示于图 6-26上 图6-26 第47页/共54页（a）（b）图6-26 第48页/共54页 图6-26 第49页/共54页重辐射面：在有绝热面参加的辐射换热系统中，绝热表面和辐射表面之间并无能量交换，它把吸收的能量又重新辐射出来。此表面重辐射面 虽然重辐射面与换热表面之间并无净能量交换，但它的存在却影响到辐射表面之间的热量交换 图6-27 被重辐射面包围的两个 灰体表面间的辐射网络第50页/共54页图6-27 被重辐射面包围的两个灰体表面间的辐射网络第51页/共54页图6-27 被重辐射面包围的两个灰体表面间的辐射网络第52页/共54页习题：8、9、17第53页/共54页感谢您的观看！第54页/共54页