热辐射及辐射传热.ppt
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1、第六章 辐射传热6-1热辐射的基本概念6-2黑体辐射的基本定律6-3黑体表面间的辐射传热与角系数6-4实际物体辐射的基本规律6-5封闭系统中灰体表面间的辐射传热6-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念一、热辐射本质一、热辐射本质1 1、基本概念、基本概念辐射辐射:物体以电磁波向外传递能量的现象。:物体以电磁波向外传递能量的现象。热热辐辐射射:由由于于物物体体内内部部微微观观粒粒子子的的热热运运动动状状态态改改变变,而而将将部部分分热热力力学学能能转转换换成成电电磁磁波波的的能能量量发发射射出出去去的的过过程程。电电磁磁波波落落到到物物体体上上,一一部部分分被被物物体体吸吸收收,将将电电磁磁波波
2、的的能能量量重重新新转转换换成成热热力力学学能。能。2 2、特点:、特点:不需要物体直接接触。可在真空中传递不需要物体直接接触。可在真空中传递(最有效最有效)有能量形式的转化。有能量形式的转化。辐射:辐射体内热力学能辐射:辐射体内热力学能辐射能辐射能吸收:辐射能吸收:辐射能受射体内热力学能受射体内热力学能只只要要T0K,T0K,就就有有能能量量辐辐射射。高高温温物物体体低低温温物物体体双双向辐射热能向辐射热能物体的辐射能力与绝对温度的四次方成正比。物体的辐射能力与绝对温度的四次方成正比。电磁波遵循电磁波遵循c c=规律规律3 3、电磁波谱、电磁波谱 由于起因不同,物体发出电磁波的波长也同。由于
3、起因不同,物体发出电磁波的波长也同。热辐射的波长主要位于热辐射的波长主要位于0.101000m的范围内。的范围内。热射线:热射线:热辐射产生的电磁波热辐射产生的电磁波工业上一般物体工业上一般物体(T800K),可见光份额才有所升高。常温下,实际,可见光份额才有所升高。常温下,实际物体的辐射主要是红外辐射。物体的辐射主要是红外辐射。三、维恩位移定律三、维恩位移定律(1893(1893年年)应用举例应用举例思考思考1 1、一铁块放入高温炉中加热,从辐射的角度分析铁块的颜色变化过程、一铁块放入高温炉中加热,从辐射的角度分析铁块的颜色变化过程用它可测定太空星体表面温度,也可用来选择对特定地物的监测用它
4、可测定太空星体表面温度,也可用来选择对特定地物的监测波段,如火灾检测。波段,如火灾检测。2 2、黑体一定是黑色的吗?、黑体一定是黑色的吗?3 3、节能灯原理?、节能灯原理?暗红、鲜红、桔黄、白炽(超过1300度)三、三、Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann定律定律式中,式中,=5.6710=5.6710-8-8 W/(m W/(m2 2 K K4 4),是斯蒂芬,是斯蒂芬-波尔兹波尔兹曼常数。曼常数。描述了黑体辐射力随表面温度的变化规律。描述了黑体辐射力随表面温度的变化规律。18791879年年StefanStefan实实验验,18841884年年 Boltzman
5、Boltzman热热力力学学理论得出;将理论得出;将Planks LawPlanks Law积分即得。积分即得。黑体辐射函数黑体辐射函数定定义义:在在0的的波波长长范范围围内内黑黑体体发发出出的的辐辐射射能能在在其其辐射力中所占份额。辐射力中所占份额。图图中中的的在在 1和和 2之之间间的的线线下下面面积积。黑黑体体在在波波长长1和和2区段内所发射的辐射力:区段内所发射的辐射力:黑体辐射函数黑体辐射函数定定义义:在在0的的波波长长范范围围内内黑黑体体发发出出的的辐辐射射能能在在其其辐射力中所占份额,辐射力中所占份额,Fb(0)。将将Eb用普朗克定律代入得:用普朗克定律代入得:波段辐射力波段辐射
6、力:在在12的波长范围黑体的波段的波长范围黑体的波段辐射函数为:辐射函数为:黑体辐射函数黑体辐射函数四、四、Lambert Lambert 定律定律定向辐射强度的定义图定向辐射强度的定义图可以证明:可以证明:黑体辐射的定向辐射强度与方向无关。黑体辐射的定向辐射强度与方向无关。它说明黑体的定向辐射力随天顶角它说明黑体的定向辐射力随天顶角 呈余弦呈余弦规律变化。规律变化。LambertLambert定律也称为余弦定律。定律也称为余弦定律。黑体黑体辐射能在空间不同方向上的分布不均匀:法向最辐射能在空间不同方向上的分布不均匀:法向最大,切向最小(为零)。大,切向最小(为零)。注意:注意:1 1)对对服
7、服从从LambertLambert定定律律的的表表面面,辐辐射射强强度度与与辐辐射射力的关系。力的关系。2 2)定定向向辐辐射射强强度度与与方方向向无无关关的的表表面面漫漫射射表表面面3 3)对对黑黑体体辐辐射射强强度度的的理理解解:相相当当于于“灯灯泡泡亮亮度度”,即从不同方向看过去,其亮度都是一样的。,即从不同方向看过去,其亮度都是一样的。黑体辐射定律小结黑体辐射定律小结 、Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann定定律律:描描述述黑黑体体在在某某一一温温度度下下向向半半球球空空间间所所有有方方向向辐辐射射的的全全部部波波长长的的能能量量,即即对方向和波长都积分的结
8、果。对方向和波长都积分的结果。、PlanckPlanck定定律律:描描述述黑黑体体在在某某一一温温度度下下向向半半球球空空间间所所有有方方向向辐辐射射的的能能量量沿沿波波长长分分布布的的规规律律,即即只只对对方向积分,但研究的是某一波长。方向积分,但研究的是某一波长。、LambertLambert定定律律 :描描述述黑黑体体在在某某一一温温度度下下所所辐辐射射的的全全部部波波长长的的能能量量沿沿半半球球空空间间方方向向上上的的分分布布规规律律,即只对波长积分,但研究的是某一方向。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。对黑体而言,辐射强度是常数。v任意放置的两个黑体表面
9、:v面积A1、A2v温度T1、T2v如何计算它们的传热量?6-3 黑体表面间的辐射传热与角系数黑体表面间的辐射传热与角系数v表面1发出的辐射能Eb1A1v表面2发出的辐射能Eb2A2v二者相减是不是它们之间的换热量?v为什么?在表面面积、温度确定的条件下,在表面面积、温度确定的条件下,表面表面1 1发出的辐射发出的辐射能未必全部落到表面能未必全部落到表面2 2上,同样表面上,同样表面2 2发出的辐射能未必发出的辐射能未必全部落到表面全部落到表面1 1上上v表面相对位置不同,黑体发出的辐射能落到对方上的数量是不同的因为表面是向其上的半球空间发射的v两个表面之间的辐射换热量与两个表面之间的相对两个
10、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位置有很大关系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。一、角系数一、角系数 同理,表面同理,表面2发出发出的辐射能中的辐射能中落到落到表面表面2上的上的百分数百分数称为表面称为表面2对表面对表面1的角系数,的角系数,记为记为X2,1。角角系系数数是是进进行行辐辐射射换换热热计计算算时时空空间间热热组的主要组成部分。组的主要组成部分。角角系系数数:把把表
11、表面面1发发出出的的辐辐射射能能中中落落到到表表面面2上上的的百百分分数数称称为为表表面面1对对表表面面2的的角角系数,记为系数,记为X1,2。二、确定角系数的方法二、确定角系数的方法v从角系数的定义出发直接求得从角系数的定义出发直接求得v积分法积分法v查曲线法查曲线法v代数分析法代数分析法v投影法(几何图形法)投影法(几何图形法)T2T1三、角系数的性质三、角系数的性质v研究角系数的性质是用代数法(代数分析法)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。求解角系数的前提。v假定:假定:所研究的表面是漫射的所研究的表面是漫射的在所研究表面的不同地点上向外发射的辐在所研究表面的不同
12、地点上向外发射的辐射热流密度是均匀的射热流密度是均匀的1 1、角系数的相对性、角系数的相对性当当T1=T2时,净辐射换热量为零,即时,净辐射换热量为零,即Eb1=Eb2则两个表面间角系数的相对性的表达式则两个表面间角系数的相对性的表达式:两两个个黑黑体体表表面面间间进进行行辐辐射射换换热热,表表面面1辐辐射射到到表表面面2的的辐辐射射能能为为A1Eb1X1,2,表表面面2辐辐射射到到表表面面1的的辐辐射射能能为为A2Eb2X2,1,两两黑黑体体表表面面间间的的净净辐辐射射换热量为:换热量为:由由于于角角系系数数是是纯纯几几何何因因素素,与与是是否否黑黑体体无无关,所以相对性也适用于其它漫射表面
13、。关,所以相对性也适用于其它漫射表面。2 2、角系数的完整性、角系数的完整性角系数的完整性角系数的完整性注:注:若表面若表面1为非凹表面时,为非凹表面时,X1,1=0;若表面;若表面1为凹表面,为凹表面,3 3、角系数的有界性、角系数的有界性 如图:从表面如图:从表面1 1上发出而落上发出而落到表面到表面2 2上的总能量,等于落到上的总能量,等于落到表面表面2 2上各部分的辐射能之和:上各部分的辐射能之和:4 4、角系数的分解性、角系数的分解性(可加性可加性)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,则有角系数的可加性角系数的可加性(1)(1)三个非凹表面组成的封闭系统
14、三个非凹表面组成的封闭系统图图8-23 8-23 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四、用代数法求角系数四、用代数法求角系数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 上述方程解得:上述方程解得:由于垂直纸面方向的长度相同,则有:由于垂直纸面方向的长度相同,则有:(2)任意两个非凹表面间的角系数 如图:表面和假定在垂直于纸面的方向上表如图: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面的长度是无限延伸的 ,只有封闭系统才能应用,只有封闭系统才能应用角系数的完整性,为此作辅助线角系数的完整性,
15、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两个非凹表面及假想面组成的封闭系统组成的封闭系统根据角系数的完整性:根据角系数的完整性: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 上述方法又被称为上述方法又被称为交叉线法交叉线法。注意:这里所。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。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例题例题8-18-1,求下列图形中的角系数,求下列图形中的角系数解:解:
16、解:解:解:解:解:解:解:解:注:利用这样的分析方法,扩大线图的使用,可以得出很多几何结构简单的角系数注:利用这样的分析方法,扩大线图的使用,可以得出很多几何结构简单的角系数例题例题8-88-8:求图中:求图中1 1、4 4两个表面之间的角系数两个表面之间的角系数解解:从从图图中中可可知知,表表面面2 2对对表表面面3 3和和表表面面2 2对对表表面面1 13 3的的角角系系数都可以从图数都可以从图5 52020中查出:中查出:X X2 2,3 30.100.10X X2 2,1 13 30.150.15。由角系数的可分性由角系数的可分性X X2 2,1 13 3X X2 2,1 1X X2
17、 2,3 3可得到:可得到:X X2 2,1 1X X2 2,1 13 3X X2 2,3 3。再根据角系数的互换性再根据角系数的互换性A A1 1X X1,21,2A A2 2X X2,12,1即可得到:即可得到:X X1,21,2A A2 2X X2,12,1/A/A1 1=A=A2 2(X(X2,1+32,1+3-X-X2,32,3)/A)/A1 1=2.5(0.15-0.10)/1=0.125=2.5(0.15-0.10)/1=0.125例例.试确定如图所示的表面试确定如图所示的表面1 1对表面对表面2 2的角系数的角系数X X1 1,2 2。二 两黑体表面间的辐射换热v确定了角系数之
18、后,结合斯蒂芬-波尔兹曼定律可以很方便的求出两个黑体表面之间的净换热量 写成电学中欧姆定律表达式的形式写成电学中欧姆定律表达式的形式 相当于电阻相当于电阻,称为称为空间辐射热阻空间辐射热阻 6-4 实际物体辐射的基本规律实际物体辐射的基本规律热辐射两个重要性质热辐射两个重要性质光谱性质:光谱性质:光谱辐射力随光谱辐射力随 波长的变化波长的变化方方 向向 性:性:辐射度辐射度v实际物体的光谱辐射力不仅比黑体的光谱辐射实际物体的光谱辐射力不仅比黑体的光谱辐射力力EbEb小,而且小,而且EE与波长的关系也没有一定的与波长的关系也没有一定的规律性。规律性。一、实际物体一、实际物体1、发射率、发射率v同
19、温度下,黑体发射热辐射的能力最强;同温度下,黑体发射热辐射的能力最强;v真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体v发射率发射率(也称为也称为黑度黑度):相同温度下,实际物相同温度下,实际物体的辐射力与黑体辐射力之比体的辐射力与黑体辐射力之比:实验证明:实际物体的辐射力并不严格地与温度的四次方成实验证明:实际物体的辐射力并不严格地与温度的四次方成比例,为了计算方便,将偏差考虑到比例,为了计算方便,将偏差考虑到中。中。与温度有关与温度有关 公式只是针对方向和光谱平均的情况,但实际公式只是针对方向和光谱平均的情况,但实际上,真实表面的发射能力是随方向和光谱变化
20、的。上,真实表面的发射能力是随方向和光谱变化的。WavelengthDirection(angle from the surface normal)定向发射率定向发射率:实际物体的定向辐射强度与黑体实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比:的定向辐射强度之比:2、定向发射率、定向发射率定向发射力定向发射力:在数值上为单位辐射面积在单位在数值上为单位辐射面积在单位时间内向某一方向单位立体角内发射的辐射能时间内向某一方向单位立体角内发射的辐射能 对于指定波长,而在方向上平均的情况,对于指定波长,而在方向上平均的情况,则定义了则定义了光谱发射率光谱发射率,即即实际物体的光谱辐实际物体的光谱辐射
21、力与黑体的光谱辐射力之比射力与黑体的光谱辐射力之比3、光谱发射率光谱发射率几种金属导体在不同方向上的定向发射率几种金属导体在不同方向上的定向发射率()(t=150)几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率()(t=093.3)某一温度下,实际物体的定向辐射强度在各方向上的某一温度下,实际物体的定向辐射强度在各方向上的变化是不规则的。变化是不规则的。v金金 属:属:在在040基本为常数;然后随着基本为常数;然后随着,;接;接近近90 减小到减小到0v非金属:非金属:在在060 基本为常数;后基本为常数;后 v半球空间的平均发射率(半球发射率、发射率)半球空
22、间的平均发射率(半球发射率、发射率)v粗糙物体:粗糙物体:v表面光滑的非金属物体表面光滑的非金属物体:v高度磨光的金属物体:高度磨光的金属物体:v一般情况下,近似认为,大多数工程材料可以认一般情况下,近似认为,大多数工程材料可以认为是漫反射表面。为是漫反射表面。几点说明:几点说明:1.1.将不确定因素归于修正系数将不确定因素归于修正系数,这是由于热辐射,这是由于热辐射非常复杂,很难理论确定,是权宜之计;非常复杂,很难理论确定,是权宜之计;2.2.虽然实际物体并非绝对的漫射表面,但仍然近似虽然实际物体并非绝对的漫射表面,但仍然近似地认为大多数工程材料是漫射表面;地认为大多数工程材料是漫射表面;3
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