自然对流换热课件.ppt
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1、第十一章第十一章 辐射换热辐射换热1 第八章已指出,热辐射是热量传递的基本第八章已指出,热辐射是热量传递的基本方式之一,以热辐射方式进行的热量交换称为方式之一,以热辐射方式进行的热量交换称为辐射换热。辐射换热在热能动力工程、核能工辐射换热。辐射换热在热能动力工程、核能工程、冶金、化工、航天、太阳能利用、干燥技程、冶金、化工、航天、太阳能利用、干燥技术以及日常生活中的加热、供暖等方面具有非术以及日常生活中的加热、供暖等方面具有非常广泛的应用常广泛的应用。 本章主要从宏观的角度介绍热辐射的基本本章主要从宏观的角度介绍热辐射的基本概念、基本定律以及辐射换热的计算方法。概念、基本定律以及辐射换热的计算
2、方法。11-1 热辐射的基本概念 21. 吸收、反射与透射 投入辐射投入辐射: 单位时间内投射到单位时间内投射到单位面积物体表面上的全波长范围单位面积物体表面上的全波长范围内的辐射能。内的辐射能。G W/m2 反射辐射反射辐射: G W/m2 吸收辐射吸收辐射: G W/m2 透射辐射透射辐射: G W/m2 3吸收比吸收比 GG 反射比反射比GG透射比透射比 GG根据能量守恒根据能量守恒,GGGG1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 GGGGGG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 100G dG d00G dG d00G d
3、G d 与与 的关系:的关系:, , 不仅取决于物体的性质,还与投射辐射不仅取决于物体的性质,还与投射辐射能的波长分布有关。能的波长分布有关。 4 注意: (1 1) 属于物体的辐射特性,取决于物属于物体的辐射特性,取决于物体的种类、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。, (2 2)固体和液体对辐射能的吸收和反射基本上)固体和液体对辐射能的吸收和反射基本上属于表面效应属于表面效应:金属的表面层厚度小于金属的表面层厚度小于1 1m;绝大多;绝大多数非金属的数非金属的表面层厚度小于表面层厚度小于1 1mm。 (3 3)对于)对于固体和液体固体和液体, 。0,1 镜
4、反射镜反射与与漫反射漫反射: 产生何种反射决于物体产生何种反射决于物体表面的粗糙程度和投射辐射表面的粗糙程度和投射辐射能的波长能的波长 。52. 灰体与黑体 灰体灰体:注意注意:黑体、白体与黑色、白色物体的区别。:黑体、白体与黑色、白色物体的区别。 光谱辐射特性光谱辐射特性不随波长而变化的假想物体,不随波长而变化的假想物体,即即 分别等于常数。分别等于常数。 ,00ddGG00ddGG00ddGG绝对黑体绝对黑体: 吸收比吸收比 = 1的物体,简称的物体,简称黑体黑体。黑体。黑体和灰体一样,是一种理想物体。和灰体一样,是一种理想物体。 人工黑体模型人工黑体模型: 镜体镜体(漫反射时称为白体):
5、(漫反射时称为白体): = 1 绝对透明体绝对透明体 : = 1 63. 辐射强度 辐射强度说明物体表面在空间某个方向上发射辐辐射强度说明物体表面在空间某个方向上发射辐射能的多少。射能的多少。立体角立体角: 半径为半径为r的的球面上面积球面上面积A与球心所与球心所对应的空间角度,对应的空间角度,2Ar单位为单位为Sr(球面度球面度) (,)方向上的方向上的微元面积微元面积 dA2对球心所对球心所张的微元立体角张的微元立体角 22ddAr2dsin d= sin d drrr 7辐射强度辐射强度: 单位时间内从单位投影面积(可见面积)所发单位时间内从单位投影面积(可见面积)所发出的包含在出的包含
6、在单位立体角单位立体角内的所有波长的辐射能。内的所有波长的辐射能。 1,cosdLdAd 称为称为dA1在(在(,)方向的)方向的辐射强度辐射强度,或称为,或称为定定向辐射强度向辐射强度,单位是,单位是W/(m2Sr)。 ,L 8 辐射强度的大小不仅取决于物体种类、表面性质、辐射强度的大小不仅取决于物体种类、表面性质、温度,还与方向有关。对于各向同性的物体表面,辐射温度,还与方向有关。对于各向同性的物体表面,辐射强度与角强度与角 无关,无关, 。 ,LL 光谱辐射强度光谱辐射强度:某波长辐射能的辐射强度称为该某波长辐射能的辐射强度称为该波长的波长的光谱辐射强度光谱辐射强度。 辐射强度辐射强度与
7、与光谱辐射强度光谱辐射强度之间的关系之间的关系 0LLd光谱辐射强度光谱辐射强度的单位为的单位为W/(m3Sr)或或W/(m2mSr)。 9 4. .辐射力 辐射力辐射力:在单位时间内,每单位面积表面向在单位时间内,每单位面积表面向半球空间半球空间发射的发射的全部波长全部波长的辐射能的辐射能,用用E表示,单位为表示,单位为W/m2。 光谱辐射力光谱辐射力: 单位时间内,单位面积物体表面向半单位时间内,单位面积物体表面向半球空间发射的某一波长的辐射能,用球空间发射的某一波长的辐射能,用E表示,单位为表示,单位为W/m3。 辐射力辐射力与与光谱辐射力光谱辐射力之间的关系之间的关系 0EE d定向辐
8、射力定向辐射力: 在单位时间内,单位面积表面在单位时间内,单位面积表面向某方向某方向发射向发射的单位立体角内的辐射能的单位立体角内的辐射能,用用E表示,单位为表示,单位为W/(m2sr)。 10定向辐射力定向辐射力与与辐射力辐射力之间的关系:之间的关系: 2EE d定向辐射力定向辐射力与与辐射强度辐射强度之间的关系:之间的关系: cosEL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: 2cosELd 11-2 11-2 黑体辐射的基本定律 111.1.普朗克普朗克(Planck)定律定律 2. 2.斯忒藩斯忒藩- -玻耳兹曼玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)定律定律 3.
9、3.兰贝特兰贝特(Lambert)定律定律121. 普朗克定律251b/1CTCEeC1= 3.74310-16 Wm2 ;C2 = 1.43910-2 mK。 特点特点: (1 1)温度愈高,同一)温度愈高,同一波长下的光谱辐射力愈大;波长下的光谱辐射力愈大; (2 2)在一定的温度下,)在一定的温度下,黑体的光谱辐射力黑体的光谱辐射力在某一在某一波长下具有最大值;波长下具有最大值; (3 3)随着温度的升高,)随着温度的升高,Eb取得最大值的波长取得最大值的波长max愈来愈小,即在愈来愈小,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。 13维恩维恩(Wien)位移定律位移定
10、律: : 33max2.8976102.910m KT 太阳表面温度约为太阳表面温度约为5800 K,由上式可求得,由上式可求得max=0.5 m,位于,位于可见光可见光范围内,范围内,可见光可见光占太阳辐射能的份额占太阳辐射能的份额约为约为44.6% 。 对于对于2000 K温度下黑体温度下黑体, , 可求得可求得max=1.45 m,位,位于于红外线红外线范围内。范围内。 2. 斯忒藩-玻耳兹曼定律 斯忒藩斯忒藩- -玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律表达式:表达式: 4bET式中式中 = 5.6710-8 W/(m2K4),称为,称为斯忒藩斯忒藩-玻耳兹曼玻耳兹曼常量常量(数数),又称为,又称为黑
11、体辐射常数黑体辐射常数。 (四次方定律四次方定律) 14 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 : 251bb/()00dd1CTCEEe 波段辐射力波段辐射力 12bE2121bbdEE21bb00ddEE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 12bE21121221bbb00bb 0b 0bbbddEEEFFFEEE15 根据普朗克定律表达式,根据普朗克定律表达式, 251/0b0b 0441CTCdE deFTT251/01TCTCTdTfTef(T)称为黑体辐射函数称为黑体辐射函数,表示温度为,表示温度为T 的黑
12、体所发射的黑体所发射的辐射能中在波段的辐射能中在波段0内的辐射能所占的百分数。内的辐射能所占的百分数。 利用黑体辐射函数数值表(利用黑体辐射函数数值表(309309页表页表11111 1)可以)可以很容易地用下式计算黑体在某一温度下发射的任意波很容易地用下式计算黑体在某一温度下发射的任意波段的辐射能量段的辐射能量: 1221bbb 0b 0EFFE163. 兰贝特定律 兰贝特定律兰贝特定律: :黑体的辐射强度与方向无关,半球空黑体的辐射强度与方向无关,半球空间各方向上的辐射强度都相等。间各方向上的辐射强度都相等。 漫发射体漫发射体: 空间空间各个方向上辐射强度各个方向上辐射强度都相等的物体。都
13、相等的物体。 LLC 根据定向辐射力与辐射强度的关系根据定向辐射力与辐射强度的关系 cosELcoscosnLEEn为表面法线方向的定向辐射力。兰贝特定律也称为为表面法线方向的定向辐射力。兰贝特定律也称为余余弦定律弦定律。 根据辐射力与辐射强度的关系可求得根据辐射力与辐射强度的关系可求得 2cos dEL 2cos sin d dL 2/200dsin cos dLL 1711-3 实际物体的辐射特性,基尔霍夫定律1. 实际物体的发射特性 发射率(黑度)发射率(黑度):bEE发射率反映了物体发射辐射能的能力的大小。发射率反映了物体发射辐射能的能力的大小。 光谱发射率光谱发射率(光谱黑度光谱黑度
14、):):发射率发射率与与光谱发射率光谱发射率之间的关系为之间的关系为 bEEb0bdEE对于灰体对于灰体,常数常数, b0bdEE18 实际物体的光谱辐射力随波长的变化规律不同于黑实际物体的光谱辐射力随波长的变化规律不同于黑体和灰体体和灰体,实际物体的光谱发射率是波长的函数。实际物体的光谱发射率是波长的函数。 在工程计算中,实际物在工程计算中,实际物体的辐射力可以由下式计算体的辐射力可以由下式计算: 4bEET 实际物体的辐射力并不实际物体的辐射力并不严格遵循四次方定律,所存严格遵循四次方定律,所存在的偏差包含在由实验确定在的偏差包含在由实验确定的发射率数值之中。的发射率数值之中。 定向发射率
15、定向发射率(定向黑度定向黑度):): bbLEEL 实际物体不是漫发射体,实际物体不是漫发射体,定向定向发射率发射率是方向角是方向角 的函数。的函数。 19几种非金属材料的定向发射率几种非金属材料的定向发射率 金属金属1.0 1.2n非金属非金属0.95 1.0n 实际物体发射率实际物体发射率数值大小取决于材料数值大小取决于材料的种类、温度和表面的种类、温度和表面状况,通常由实验测状况,通常由实验测定。定。 半球总发射率202. 实际物体的吸收特性 实际物体的光谱吸收比也与黑体、灰体不同,是实际物体的光谱吸收比也与黑体、灰体不同,是波长的函数。波长的函数。 几种金属材料的光谱吸收比几种金属材料
16、的光谱吸收比21 辐射特性随波长变化的性质称为辐射特性对波长辐射特性随波长变化的性质称为辐射特性对波长的选择性的选择性。实际物体的吸收比不仅取决于物体本身材。实际物体的吸收比不仅取决于物体本身材料的种类、温度及表面性质,还和投入辐射的波长分料的种类、温度及表面性质,还和投入辐射的波长分布有关,因此和投入辐射能的发射体温度有关。布有关,因此和投入辐射能的发射体温度有关。 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22 工程上的热辐射主工程上的热辐射主要位于要位于0.7610 m的红的红外波长范围内,绝大多外波长范围内,绝大多数工程材料的光谱辐射数工程材料的光谱辐射特性在此波长范围内变特
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