第八章-辐射传热-传热学-教学课件.ppt
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- 第八 辐射 传热 传热学 教学 课件
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1、2023-1-12 第八章第八章 辐射换热辐射换热 Radiation Heat Transfer 81 热辐射的基本概念热辐射的基本概念82 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律83 实际物体和灰体的辐射实际物体和灰体的辐射84 角系数角系数85 封闭系统中灰体表面间的辐射传热封闭系统中灰体表面间的辐射传热86 气体辐射及其与包壁间的辐射传热气体辐射及其与包壁间的辐射传热87 表面传热和表面传热系数表面传热和表面传热系数2023-1-1281 热辐射的基本概念热辐射的基本概念一、热辐射的本质一、热辐射的本质辐射辐射物体通过电磁波传递能量的过程物体通过电磁波传递能量的过程热辐射热辐射是由于物体
2、内部微观粒子的热运动状态改变时,而将是由于物体内部微观粒子的热运动状态改变时,而将部分内能转变成电磁波的能量发射出去的过程。部分内能转变成电磁波的能量发射出去的过程。发射辐射能是各类物质的固有特性发射辐射能是各类物质的固有特性热辐射的两大特点热辐射的两大特点 可以在真空中传播;可以在真空中传播;能量形式在传播过程中发生了变化能量形式在传播过程中发生了变化 2023-1-12由于起因不同,物体发射电磁波的波长也不同,由于起因不同,物体发射电磁波的波长也不同,可分为:可分为:2023-1-120.38m 紫外线、紫外线、X射线、射线、射线射线 0.380.76m 可见光可见光 0.761000m
3、红外线红外线 0.764m 近红外近红外 41000m 无线电波无线电波 热辐射的波段热辐射的波段=0.1100m 2023-1-12l 辐射的本质:即具有波动性,还具有粒子性。辐射的本质:即具有波动性,还具有粒子性。l 电磁波在介质中的传播速度等于光速:电磁波在介质中的传播速度等于光速:l c为介质中的光速,为介质中的光速,为波长,为波长,为频率为频率l 用量子理论解释:用量子理论解释:l e为光子的能量,为光子的能量,h为普朗克数,为普朗克数,h=6.6310-34 Jsche 2023-1-12二、吸收率、反射率、穿透率二、吸收率、反射率、穿透率 当热射线投射到当热射线投射到物体上时,遵
4、循物体上时,遵循可见光的规律,可见光的规律,部分被吸收,部部分被吸收,部分被反射,其余分被反射,其余则透过物体。则透过物体。2023-1-121 1系也成立:系也成立:对于单色辐射,上述关对于单色辐射,上述关称物体的透射率称物体的透射率G GG G称物体的反射率称物体的反射率G GG G称物体的吸收率称物体的吸收率G GG G1 1G两边除以GGGG以上的数值都是物体表面的辐射特性,和物体表面的性质、以上的数值都是物体表面的辐射特性,和物体表面的性质、温度及表面的状况有关。全波长特性还和投射能量的波长温度及表面的状况有关。全波长特性还和投射能量的波长分布情况有关系。分布情况有关系。2023-1
5、-121)热射线穿过一般固体和液体表面后,在很小的距离内就被完)热射线穿过一般固体和液体表面后,在很小的距离内就被完全吸收,这个距离仅几分之一微米,即使是非导电体也只有几分全吸收,这个距离仅几分之一微米,即使是非导电体也只有几分之一毫米。所以可认为热射线不能穿透固体和液体。因此,对于之一毫米。所以可认为热射线不能穿透固体和液体。因此,对于一般固体和液体,一般固体和液体,=1;2)投射到气体界面上的热射线能穿透气体,而几乎不反射。因)投射到气体界面上的热射线能穿透气体,而几乎不反射。因此可认为气体的反射比此可认为气体的反射比0,因此,对于气体,因此,对于气体,=1。如果物体能吸收全部的外来射线,
6、如果物体能吸收全部的外来射线,=1时,物体被称为黑体。时,物体被称为黑体。如果物体能反射全部外来射线,如果物体能反射全部外来射线,=1时,不论是镜反射或漫反射,时,不论是镜反射或漫反射,均称为白体。均称为白体。如果物体能被外来射线所全部透射,如果物体能被外来射线所全部透射,=1,称为透明体。,称为透明体。2023-1-12三、辐射力(E)辐射力:发射体每单位面积、在单位时间、向半球空间所发射的全波长能量2mWE2mWAQE 2023-1-12四、定向辐射度四、定向辐射度1)主体角)主体角2)定向辐射度)定向辐射度五、漫射表面五、漫射表面1)漫发射表面漫发射表面2)漫发射表面)漫发射表面3)漫射
7、表面)漫射表面2023-1-128-2 黑体辐射的基本定律一、普朗克定律普朗克定律:1900年Max Planck在量子理论的基础上,揭示了真空中黑体的光谱辐射力 与波长 、热力学温度 之间的函数关系:dET1,251TCdeCTfE2023-1-1282 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律 一、普朗克定律普朗克定律:1900年Max Planck在量子理论的基础上,揭示了真空中黑体的光谱辐射力 与波长 、热力学温度 之间的函数关系:bETmmW1,2512TCbeCTfE1C2C普朗克第一常数,普朗克第二常数,248mmW10743.3Km104387.142023-1-12普朗克定律:1
8、900年Max Planck在量子理论的基础上,揭示了真空中黑体的光谱辐射力 与波长 、热力学温度 之间的函数关系:bETmmW1,2512TCbeCTfE对任一波长:温度越高,光谱辐射力越强同一温度下的光谱辐射力存在一最大值,对应m2023-1-12随着温度 增高,向短波方向移动 Tmax,bEKm6.2897Tm维恩(Wien)位移定律:1891 利用光学仪器测得某黑体表面最大光谱辐射力的波长后,可以算出该黑体表面的温度 如:太阳 m5.0maxK2.5795T2023-1-12二、普朗克定律辐射力 与温度 的关系:TE1879年斯蒂芬依靠实验确定了 与 的关系bET1884年波尔兹曼用热
9、力学理论进行了证明将普朗克定律表达式在全波长范围积分240510mW12TdeCdEEbTCbb四次方定律428KmW1067.5b斯蒂芬-波尔兹曼常数2023-1-1283 实际物体和灰体的辐射实际物体和灰体的辐射 l实际物体的光谱辐射力实际物体的光谱辐射力E随波长和温度的随波长和温度的变化是不规则的,与黑体的变化是不规则的,与黑体的E有区别。有区别。l相同条件下:实际物体的光谱辐射力相同条件下:实际物体的光谱辐射力E小小于黑体的于黑体的E2023-1-12l 实际物体发射率(黑度)实际物体发射率(黑度)实际物体辐射力实际物体辐射力/同同温度条件下黑体辐射力温度条件下黑体辐射力l 黑度的大小
10、表征实际物体的黑度的大小表征实际物体的 l 辐射能力与同温度黑体辐射辐射能力与同温度黑体辐射 l 能力的接近程度能力的接近程度2023-1-12l 实际物体的辐射力:/.24mWTEEbb实际物体的辐射力黑度的右边图示中的物理意义:两曲线与坐标围绕面积之比。小于或等于1。黑体取决于物体本身的条件:种类、表面状况和温度。2023-1-12l 假定有一物体的辐射光谱是连续 l 的,而且曲线 的变化关l 系与同温度下黑体的变化关系相l 似,即在所有波长下:l l 符合这种规律的物体称为灰体。l 对灰体而言,其单色黑体与波长无关,l 因此灰体均满足),(TfEConstEEEEEEnbnbb 2211
11、2023-1-12l灰体实际物体的理想化。l对灰体而言,其单色黑体(即光谱发射率)和吸收率与波长无关。l灰体均满足自然界中不存在灰体,它是一种假想的物体。l实际物体在红外波长范围内可近似看作灰体(在工业高温条件下,多数材料热辐射处于红外线)constconst2023-1-12l四、基尔霍夫定律l1859年基尔霍夫揭示了物体发射辐射的能力与吸收辐射的能力之间的关系。l最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。如图所示,板1是黑体,板2是任意物体,参数分别为 l则当系统处于热平衡时,有:,21TETEb以及2023-1-12l此式为基尔霍夫定律的表达式之一。该式说明,在热力学平衡状态下,
12、物体的吸收率等于它的发射率、但该式具有如下限制:l1)整个系统处于热平衡状态l2)如物体的吸收率和发射率与温度有关,则两者只有处于同一温度下的数值才能相等;l3)投射辐射源必须是同温度下的黑体2023-1-12l对于漫辐射表面:l对于灰表面:l对于漫灰表面:l基尔霍夫定律说明:发射辐射能的能力愈强的物体。其吸收辐射能的能力也愈强。l对于黑体:l黑体具有最大的辐射能力和吸收能力。TT,TT,)()(TT12023-1-12l 在工业高温下作为灰体处理的工程材料,其热辐射主要在 变化不大的红外线范围内,可见光份额很小;在计算时,对于工业高温下的一般材料,可以取;l 但太阳辐射的射线有43左右在可见
13、光范围内,由于各种颜色的表面对可见光的吸收具有强烈的选择性,即在可见光范围内,吸收率 随波长的变化很大;l 所以,对于太阳辐射例如,白色的纸对于太阳辐射的吸收率仅为0.27,而其黑度高达0.95。T,2023-1-12l 两个表面之间的辐射换热量与两个表面之间的相对位置有很大关系8-4 8-4 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算表面相对位置的影响表面相对位置的影响va a图中两表面无限接近,相互间的换热量最大;图中两表面无限接近,相互间的换热量最大;vb b图中两表面位于同一平面上,相互间的辐射换热量为零。图中两表面位于同一平面上,相互间的辐射换热量为零。由图可以看出,两个表面间
14、的相对位置不同时,一个表面由图可以看出,两个表面间的相对位置不同时,一个表面发出而落到另一个表面上的辐射能的百分数随之而异,从发出而落到另一个表面上的辐射能的百分数随之而异,从而影响到换热量。而影响到换热量。2023-1-12一一.角系数的定义角系数的定义 角系数是进行辐射换热计算时空间热组的角系数是进行辐射换热计算时空间热组的主要组成部分。主要组成部分。定义:把表面定义:把表面1 1发出发出的辐射能中的辐射能中落到落到表面表面2 2上的上的百分数百分数称为表面称为表面1 1对表面对表面2 2的角系数,的角系数,记为记为X X1,21,2。同理,表面同理,表面1 1发出发出的辐射能中的辐射能中
15、落到落到表面表面2 2上的上的百分数百分数称为表面称为表面1 1对表面对表面2 2的角系数,的角系数,记为记为X X 2,12,12023-1-12二二.角系数的性质角系数的性质l 研究角系数的性质是用代数法(代数分析法)求解研究角系数的性质是用代数法(代数分析法)求解角系数的前提:角系数的前提:l 假定:(假定:(1 1)所研究的表面是漫射的)所研究的表面是漫射的 (2 2)在所研究表面的不同地点上向外发射)在所研究表面的不同地点上向外发射的辐射热流密度是均匀的的辐射热流密度是均匀的2023-1-121 1、角系数的相对性、角系数的相对性l 一个微元表面到另一个微元表面的角系数一个微元表面到
16、另一个微元表面的角系数11211112,11cosbAdA dAbAIdddAdAXdAEd 由发出的落到上的辐射能由发出的辐射能 11bbIE辐射力辐射力:1bE:定向辐射强度:定向辐射强度1bI2212,coscos21rdAXdAdA (1)两微元面间的辐射两微元面间的辐射2222coscdAdAdrr 2023-1-12同理:同理:整理(整理(1 1)、()、(2 2)式得:)式得:21112,2coscosdA dAdAXr(2)1221,1,2dA dAdA dAXdAXdA(3)12211,2,dA dAdA dAdA XdAX两微元表面角系数的两微元表面角系数的相对性相对性表达
17、式:表达式:2023-1-12(2)两个有限大小表面之间角系数的相对性1,2222,11121XEAXEAbb ,当当 时,净辐射换热量为零,即时,净辐射换热量为零,即21TT 21bbEE 则有限大小表面间角系数的相对性的表达式则有限大小表面间角系数的相对性的表达式:1,222,11XAXA(4)2023-1-12 2 2、角系数的、角系数的完整性完整性 对于由几个表面组成的封闭系统,据能量守衡对于由几个表面组成的封闭系统,据能量守衡原理,从任何一个表面发射出的辐射能必全部落到原理,从任何一个表面发射出的辐射能必全部落到封闭系统的个表面上。因此,任何一个表面对封闭封闭系统的个表面上。因此,任
18、何一个表面对封闭腔各表面的角系数之间存在下列关系:腔各表面的角系数之间存在下列关系:1,13,12,11,1 nXXXX niiX1,11(5)角系数的完整性角系数的完整性注:注:若表面若表面1 1为非凹表面时,为非凹表面时,X X1,11,1=0=0;若表面若表面1 1为凹表面,为凹表面,011,X2023-1-12 3 3、角系数的、角系数的可加性可加性 如图如图8-48-4所示从表面所示从表面1 1上发出而落到表面上发出而落到表面2 2上的上的总能量,等于落到表面总能量,等于落到表面2 2上各部分的辐射能之和,上各部分的辐射能之和,于是有于是有bbabbXEAXEAXEA2,1112,1
19、112,111 baXXX2,12,12,1 如把表面如把表面2 2进一步分成若干小块,则有进一步分成若干小块,则有 niiXX12,12,1(6)2023-1-12角系数的可加性角系数的可加性 注意,利用角系数可加性时,只有对角系数注意,利用角系数可加性时,只有对角系数符号中第二个角码是可加的,对角系数符号中的符号中第二个角码是可加的,对角系数符号中的第一个角码则不存在类似的关系。第一个角码则不存在类似的关系。2023-1-12 从表面从表面2 2上发出而落到表面上发出而落到表面1 1上的辐射能,等于上的辐射能,等于从表面从表面2 2的各部分发出而落到表面的各部分发出而落到表面1 1上的辐射
20、能之和,上的辐射能之和,于是有于是有1,2221,2221,222bbabbXEAXEAXEA 角系数的上述特性可以用来求解许多情况下角系数的上述特性可以用来求解许多情况下两表面间的角系数值两表面间的角系数值1,221,221,22bbaaXAXAXA (7)221,2221,21,2AAXAAXXbbaa (8)2023-1-12三、角系数的计算方法三、角系数的计算方法 直接积分法直接积分法代数分析法代数分析法几何分析法几何分析法求解角系数的方法求解角系数的方法2023-1-121 1、直接积分法直接积分法l 按角系数的基本定义通过求解多重积分而获得按角系数的基本定义通过求解多重积分而获得角
21、系数的方法角系数的方法l 如图所示的两个有限大小的面积,可以得到如图所示的两个有限大小的面积,可以得到122122coscosdddAXr,21221 22coscosdAdAXr,微元面积微元面积 对对 的角系数为的角系数为1dA2Ad1dA1dA22023-1-121222121112coscosdArdAXAAA ,1221221121coscos1AArdAdAAX ,上式积分可得上式积分可得即即d1dA1dA22023-1-122 2、代数分析法代数分析法 利用角系数的相对性、完整性及可加性,通过利用角系数的相对性、完整性及可加性,通过求解代数方程而获得角系数的方法称为代数分析法。求
22、解代数方程而获得角系数的方法称为代数分析法。(1)(1)三个非凹表面组成的封闭系统三个非凹表面组成的封闭系统图图8-5 8-5 三个非凹表面组成的封闭系统三个非凹表面组成的封闭系统2023-1-121112,31,33,21,23,12,1 XXXXXX2,333,221,333,111,222,11XAXAXAXAXAXA 由角系数完整性由角系数完整性由角系数相对性由角系数相对性A3A2A1三表面封闭空间三表面封闭空间角系数的确定角系数的确定 2023-1-12上述方程解得:上述方程解得:21323,232313,113212,1222AAAAXAAAAXAAAAX 由于垂直纸面方向的长度相
23、同,则有:由于垂直纸面方向的长度相同,则有:21232,112313,113212,1222llllXllllXllllX 2023-1-12(2)(2)任意两个任意两个非凹表面非凹表面间的角系数间的角系数 如图所示表面和假定在垂直于纸面的方向如图所示表面和假定在垂直于纸面的方向上表面的长度是无限延伸的上表面的长度是无限延伸的 ,只有封闭系统才,只有封闭系统才能应用角系数的完整性,为此作辅助线能应用角系数的完整性,为此作辅助线acac和和bdbd,与与abab、cdcd一起构成封闭腔。一起构成封闭腔。两个非凹表面及假想面组两个非凹表面及假想面组成的封闭系统成的封闭系统2023-1-12根据角系
24、数的完整性:根据角系数的完整性:1ab cdabcab bdXXX,a,2abcab ac bcXab,a2ab bdab bd adXab,两个非凹表面及假想面组两个非凹表面及假想面组成的封闭系统成的封闭系统2023-1-1212A交叉线之和 不交叉线之和表面 的断面长度 上述方法又被称为交叉线法。注意:这里所上述方法又被称为交叉线法。注意:这里所谓的交叉线和不交叉线都是指虚拟面断面的线,谓的交叉线和不交叉线都是指虚拟面断面的线,或者说是辅助线。或者说是辅助线。,()()2ab cdbcadacbdXab两个非凹表面及假想面组两个非凹表面及假想面组成的封闭系统成的封闭系统2023-1-12例
25、题例题8-18-1,求下列图形中的角系数,求下列图形中的角系数12X,11 222 1A XA X,212211AXXA,211X,21324RR43解:解:2023-1-122212211221121212ARXXXARX,解:解:21221121121 14 218AXXXAX,解:解:1 20.5X,解:解:2023-1-12(1 2)2(1 2)(1 2)411,422,41,4(1 2)42,411AAAXA XA XXXXAA,(1 2),(3 4)(1 2),3(1 2),4(1 2),4(1 2),(3 4)(1 2)XXXXXX,32,42,3 42,3XXX 同 理()(1
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