3-辐射换热解读课件.ppt
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1、13-3 辐射传热辐射传热 Radiation Heat Transfer2l物体以物体以电磁波电磁波的方式向外的方式向外传递能量传递能量的过程。的过程。辐射传热的定义辐射传热的定义3热射线热射线-被物体吸收后转变为热能的电磁波;被物体吸收后转变为热能的电磁波;热射线波长为热射线波长为0.4 1000 m ,包括:,包括:可见光:可见光:0.4 0.76 m(紫(紫-红)红) 红外线:红外线:0.76 1000 m(近红外:(近红外:0.76 25 m; 远红外:远红外:25 1000 m )4l(1)能量转换:能量转换:内能内能辐射能辐射能辐射能辐射能内能内能 A物体(发射)物体(发射) B
2、物体(吸收)物体(吸收)l(2)凡)凡T0K的物体均具有将其本身的能量以电磁波的方的物体均具有将其本身的能量以电磁波的方式辐射出去,同时有接受电磁波的能力,式辐射出去,同时有接受电磁波的能力,其净结果热量高其净结果热量高低;低;l(3)热辐射可以在真空中传播,无需任何介质;热辐射可以在真空中传播,无需任何介质;l(4)热射线的传播具有与光同样特性,具有反射、折射和)热射线的传播具有与光同样特性,具有反射、折射和吸收的特性;吸收的特性; 能在均一介质中作直线传播。能在均一介质中作直线传播。辐射传热的特点辐射传热的特点5l吸收率:吸收率:A = QA/Q0;l反射反射率率:R = QR/Q0;l透
3、射透射率率:D = QD/Q0; A + R + D = 1Q0QRQDQAQ0 = QA + QR + QD(吸收吸收) (反射反射) (透射透射)(投射)(投射)吸收、反射和透过吸收、反射和透过6(绝对)黑体(绝对)黑体A=1,R=D=0(绝对)透热体(绝对)透热体D=1,A=R=0(绝对)白体(绝对)白体R=1,A=D=0理想物体模型理想物体模型7自然界中自然界中并不存在(绝对)黑体、(绝对)白体、并不存在(绝对)黑体、(绝对)白体、(绝对)透热体。(绝对)透热体。固体、固体、液体液体:D 0,A + R = 1气体:气体:CO2、H2O、SO2、烟气:、烟气:R 0,A + D = 1
4、H2、N2、O2、Ar、干空气:、干空气:D 1,R 0,A 08注意:注意:l“黑黑”,“白白”之分不据颜色(之分不据颜色(可见光)可见光),而是热射线。而是热射线。雪(白漆):雪(白漆):A 0.98,近似黑体,近似黑体黑光金属:黑光金属:R=0.97,近似白体,近似白体l 一般,物体表面愈粗糙,愈近于一般,物体表面愈粗糙,愈近于“黑体黑体”。l在相同温度下,黑体的辐射最强,规律性也最强。在相同温度下,黑体的辐射最强,规律性也最强。l(黑体模型)(黑体模型)9QQD 0QR 0在空心体的壁面上所开的小孔具有黑体的性质,在空心体的壁面上所开的小孔具有黑体的性质,热射线在射热射线在射入腔膛后,
5、经过多次反射、吸收后,几乎全部被吸收。入腔膛后,经过多次反射、吸收后,几乎全部被吸收。小孔愈小,愈接近于黑体。小孔愈小,愈接近于黑体。黑体模型黑体模型101 辐射传热的基本定律辐射传热的基本定律l1.1 普朗克(普朗克(Plamck)辐射定律)辐射定律l1.2 维恩偏移定律维恩偏移定律l1.3 斯蒂芬斯蒂芬波尔茨曼定律波尔茨曼定律(Stefan-Boltzmann) l1.4 克希霍夫(克希霍夫(Kirchhoff)定律)定律111.1 普朗克(普朗克(Planck)辐射定律)辐射定律M.(Max Planck 18581947)伟大的德国物理学家,量子论的奠基人。伟大的德国物理学家,量子论的
6、奠基人。 描述黑体的单色辐射能力描述黑体的单色辐射能力, 揭示了黑体辐射能力按照波长的分配规律。揭示了黑体辐射能力按照波长的分配规律。12(1 1)辐射能力和辐射强度)辐射能力和辐射强度 辐射能力辐射能力(全辐射(全辐射能力)能力)符号:符号:“E” 单位:单位:W/m2黑体:黑体:E0一定温度下,单位时间,单位一定温度下,单位时间,单位面积上,物体所能发射出的全面积上,物体所能发射出的全部波长的总能量。部波长的总能量。辐射强度辐射强度(单色辐(单色辐射能力)射能力)一定温度下,单位时间,单一定温度下,单位时间,单位面积上,物体发射的某一位面积上,物体发射的某一波长的总能量。波长的总能量。符号
7、:符号:“E”单位:单位:W/m3黑体:黑体: E0dEEddEE013(2)普朗克辐射定律普朗克辐射定律 E0 ,1010,W/m3 , m25310 W/m 1cTcEe000dEE黑体的发射能力黑体的发射能力 E0:14对对E0曲线的讨论:曲线的讨论:l(1)在某一温度下,黑体辐射能力随波长而变化:)在某一温度下,黑体辐射能力随波长而变化: ,E0;达到最高值后,;达到最高值后, E0。l(2)某一波长的单色辐射能力随温度升高而增大;)某一波长的单色辐射能力随温度升高而增大;l(3)温度愈高,最大辐射强度的波长愈短;)温度愈高,最大辐射强度的波长愈短;l(4)温度)温度2000K,辐射波
8、长大部分在,辐射波长大部分在0.7610m的范围的范围内,可见光比例相当小,可以忽略。内,可见光比例相当小,可以忽略。随温度升高,可见光比例在不断增加,亮度逐渐增加,依随温度升高,可见光比例在不断增加,亮度逐渐增加,依次出现红、橙、黄、白次出现红、橙、黄、白 。 窑炉内常根据物料的颜色和亮度判断其温度。窑炉内常根据物料的颜色和亮度判断其温度。15灰体:灰体:能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体。能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体。其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样,只是减小了一其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样,只是减小了一个相同的比例。个相同的比例。灰体是一个理想的概念
9、,自然界中并不存在灰体。灰体是一个理想的概念,自然界中并不存在灰体。理想灰体与黑体在同一温度下单色辐射力关系:理想灰体与黑体在同一温度下单色辐射力关系:大多数工程材料对于波长在大多数工程材料对于波长在0.7620um内的辐射能力,内的辐射能力,其吸收率随波长变化不大,其吸收率随波长变化不大,视为灰体。视为灰体。161.2 维恩偏移定律维恩偏移定律Wiens displacement Law对普朗克定律求导,并令其等于对普朗克定律求导,并令其等于0,即可求出极大值,即可求出极大值E0 max和和 max。T max=2896( mk)T ,最大单色辐射能力向短波长方向移动。,最大单色辐射能力向短
10、波长方向移动。确定了最大辐射强度的波长与绝对温度的关系。确定了最大辐射强度的波长与绝对温度的关系。1718依据维恩偏移定律,可以根据依据维恩偏移定律,可以根据 max判断黑体表面的温度。判断黑体表面的温度。 (1)太阳表面的温度太阳表面的温度T 5800 K?(2) 红外保暖内衣?红外保暖内衣?(1)测得太阳光谱的测得太阳光谱的 max= 0.5 m, 则:则: T = 2896/0.5 = 5792 K 5800 K(2) 人的体温人的体温37C,(,(T=273+37=310K) 则:则: max= 2896/310 9.34 m191.3 斯蒂芬斯蒂芬波尔茨曼定律波尔茨曼定律(Stefa
11、n-Boltzmann) 400)100(TCE 确定了黑体辐射力确定了黑体辐射力E0随温度随温度T变化的关系。变化的关系。式中:式中: C0黑体的辐射系数,黑体的辐射系数,5.669W/ m2K4 T黑体的热力学温度,黑体的热力学温度,K(W/m2) 四次方定律不仅指出了黑体只要绝对温度不为零就具有四次方定律不仅指出了黑体只要绝对温度不为零就具有辐射能力,还表明了高温和低温辐射能力的显著差异。辐射能力,还表明了高温和低温辐射能力的显著差异。20物体的黑度:物体的黑度:0EE物体辐射能力与同温度下黑体辐射能物体辐射能力与同温度下黑体辐射能力的比值。力的比值。反映灰体接近黑体的程度,反映灰体接近
12、黑体的程度,值由实值由实验测定。验测定。4400)100()100(TCTCEE黑度黑度= E/E0灰体辐射能力灰体辐射能力211.4 克希霍夫(克希霍夫(Kirchhoff)定律)定律确定了任意物体的辐射能力确定了任意物体的辐射能力E与吸收率与吸收率A之间的关系。之间的关系。110qEAE110qEAE22克希霍夫定律:克希霍夫定律:任何物体的辐射力与其吸收率之比,恒任何物体的辐射力与其吸收率之比,恒等于同温度下黑体的辐射力,且只与温度有关。等于同温度下黑体的辐射力,且只与温度有关。)(0332211TfEAEAEAE l物体的吸收率越大,其发射能力也越强,也就是善于吸物体的吸收率越大,其发
13、射能力也越强,也就是善于吸收的物体必然善于发射。收的物体必然善于发射。l在所有物体中,黑体的辐射能力最强。在所有物体中,黑体的辐射能力最强。 23iiiEEAEEAEEA020221011A=克希霍夫恒等式克希霍夫恒等式在热平衡条件下,任何物体对黑体辐射的在热平衡条件下,任何物体对黑体辐射的吸收率等于同温度下该物体的黑度。吸收率等于同温度下该物体的黑度。24l1.普朗克定律:物体的辐射能力普朗克定律:物体的辐射能力E与波长的关系与波长的关系l2. 斯蒂芬斯蒂芬-波尔茨曼定律:黑体辐总射能力与绝对温度的波尔茨曼定律:黑体辐总射能力与绝对温度的关系关系l3. 克希霍夫定律:任意物体的辐射能力与它的
14、吸收率之间克希霍夫定律:任意物体的辐射能力与它的吸收率之间的关系的关系l4. 物体的黑度物体的黑度 :反映灰体接近于黑体的程度:反映灰体接近于黑体的程度, 可比较灰体可比较灰体间辐射能力的大小间辐射能力的大小小结小结252.1角系数角系数一个物体的辐射热量落到另一个物体上的百分数。一个物体的辐射热量落到另一个物体上的百分数。热辐射的发射和吸收均具有空间方向特性,热辐射的发射和吸收均具有空间方向特性,表面间的辐射换热与表面几何形状、大小和各表面的相对表面间的辐射换热与表面几何形状、大小和各表面的相对位置等均有关系。位置等均有关系。2 固体间的辐射传热固体间的辐射传热 A1A226平面平面A1对对
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