传热学第十二章辐射换热精.ppt
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1、传热学第十二章学第十二章辐射射换热第1页,本讲稿共37页v12-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念v12-2 黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律v12-3 两物体表面间的辐射换热计算两物体表面间的辐射换热计算v12-4 气体辐射气体辐射第2页,本讲稿共37页总体要求:总体要求:定性:定性:热辐射基本概念,黑体辐射基本定律,实际物体热辐射基本概念,黑体辐射基本定律,实际物体的辐射特性及基耳霍夫定律;辐射换热的强化与削弱。的辐射特性及基耳霍夫定律;辐射换热的强化与削弱。定量:定量:利用黑体辐射基本定律及黑体辐射换热函数求解利用黑体辐射基本定律及黑体辐射换热函数求解辐射换热问题。辐射换热问题。第3页
2、,本讲稿共37页第十二章第十二章 辐射换热辐射换热 热辐射是热传递的三种基本方式之一,它是由电磁波热辐射是热传递的三种基本方式之一,它是由电磁波来传递能量的现象,与导热和对流有着本质的区别。辐来传递能量的现象,与导热和对流有着本质的区别。辐射换热是互不接触的物体之间通过相互辐射进行热交换射换热是互不接触的物体之间通过相互辐射进行热交换的过程。的过程。第4页,本讲稿共37页辐射通过低温区向人辐射通过低温区向人体传热体传热 由于太空的超真空环境是天然的热由于太空的超真空环境是天然的热绝缘体,使其高温外壁不易冷却,绝缘体,使其高温外壁不易冷却,而辐射几乎是唯一的散热方式而辐射几乎是唯一的散热方式 第
3、5页,本讲稿共37页人体与墙壁间的传热方式主要是辐射人体与墙壁间的传热方式主要是辐射第6页,本讲稿共37页传统工业中的辐射换热问题传统工业中的辐射换热问题 太阳能热水器是典型的利用辐射换热原理太阳能热水器是典型的利用辐射换热原理 辐射换热应用背景介绍辐射换热应用背景介绍物体通过电磁波来传递能量的方式物体通过电磁波来传递能量的方式叫辐射叫辐射。自然界。自然界中各个物体不停地向空间发出热辐射,同时又不断地吸收中各个物体不停地向空间发出热辐射,同时又不断地吸收其它物体发出的热辐射。辐射与吸收过程的综合结果就造其它物体发出的热辐射。辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递成了以
4、辐射方式进行的物体间的热量传递辐射换热辐射换热。第7页,本讲稿共37页1 定义:定义:由热运动产生的,以电磁波形式传递的能量由热运动产生的,以电磁波形式传递的能量保温瓶的散热保温瓶的散热-保温瓶夹层中主要依靠辐射传热保温瓶夹层中主要依靠辐射传热 12-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念一、辐射的概念及特点第8页,本讲稿共37页1)只要物体温度)只要物体温度T0K,物体就有辐射本领;,物体就有辐射本领;2)存在近程及远程效应)存在近程及远程效应(近在咫尺,远至天体近在咫尺,远至天体);3)存在热动平衡(吸收和发射);)存在热动平衡(吸收和发射);4)在高温时更加重要,与()在高温时更加重要,与
5、(Tw4Tf4)成正比;)成正比;5)存在着吸收,反射与穿透;)存在着吸收,反射与穿透;6)物性随波长和方向而变;)物性随波长和方向而变;7)无须任何介质,可以穿过真空和低温。)无须任何介质,可以穿过真空和低温。2 辐射换热基本特点辐射换热基本特点:第9页,本讲稿共37页3、电磁波谱、电磁波谱 电磁辐射包含了多种形式,如下图所示,而我们所感兴趣的,即电磁辐射包含了多种形式,如下图所示,而我们所感兴趣的,即工业上有实际意义的热辐射区域一般为工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.381000m。国际上规定。国际上规定家用微波炉的微波波长为家用微波炉的微波波长为 122 mm,对应频率为,对应频率为
6、 2450 MHz电磁波的传播速度:电磁波的传播速度:c=f 式中:式中:f 频率,频率,s-1;波长,波长,m第10页,本讲稿共37页例:例:室温下呈黑色的铁棒在炉中室温下呈黑色的铁棒在炉中加热时,颜色渐呈暗红、红、橙加热时,颜色渐呈暗红、红、橙黄,您知道为什么吗?黄,您知道为什么吗?答案:答案:随着铁棒的加热,随着铁棒的加热,温度升高,其辐射能量最大的波长向温度升高,其辐射能量最大的波长向短波方向移动短波方向移动,即经历了由远红外线、近红外线到可见光区域,即经历了由远红外线、近红外线到可见光区域,因而会呈现上述颜色变化。因而会呈现上述颜色变化。维恩定律第11页,本讲稿共37页例:例:海水的
7、颜色为什么总是蓝海水的颜色为什么总是蓝色的?色的?答案:答案:这是由于海水的非灰性质引起的,即这是由于海水的非灰性质引起的,即海水对不同的波长海水对不同的波长的可见光吸收率不同的可见光吸收率不同,对蓝色波长附近的射线吸收少,对蓝色波长附近的射线吸收少,反射多,所以呈蓝色。反射多,所以呈蓝色。第12页,本讲稿共37页QAQRQDQ第十二章第十二章 辐射换热辐射换热 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 一般来说,热射线也遵循可见光的规律,即当射线落到物体表面上时,一般来说,热射线也遵循可见光的规律,即当射线落到物体表面上时,也发生吸收、反射和穿透现象。如图,设外界投射到物体表面的总能量为也发生吸收、
8、反射和穿透现象。如图,设外界投射到物体表面的总能量为Q,一部分能量一部分能量QA在进入表面后被物体吸收;另一部分能量在进入表面后被物体吸收;另一部分能量QR被物体被物体反射,其余部分能量反射,其余部分能量QD透射过物体,于是有:透射过物体,于是有:令则:A+D+R=1二、吸收、反射和透射第13页,本讲稿共37页第十二章第十二章 辐射换热辐射换热 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 A-吸收率吸收率D-反射率反射率R-穿透率穿透率A、D、R的大小都在的大小都在0-1范围内变化,大小与物体的温度和表面状况有关,范围内变化,大小与物体的温度和表面状况有关,实际工程中,可以认为液体和固体不允许热辐射透过
9、,所以实际工程中,可以认为液体和固体不允许热辐射透过,所以D=0。就固体和液。就固体和液体而言,吸收能力大的物体其反射能力就弱。体而言,吸收能力大的物体其反射能力就弱。在工程中,通常把吸收率在工程中,通常把吸收率A=1的物体称为的物体称为绝对黑体绝对黑体(简称黑体);把反射(简称黑体);把反射率率R=1的物体称为的物体称为镜体,或绝对白体镜体,或绝对白体;把穿透率;把穿透率D=1的物体称为的物体称为透明体透明体。在工程中,通常引入在工程中,通常引入灰体灰体的概念,即的概念,即A1的物体。的物体。二、吸收、反射和透射第14页,本讲稿共37页灰体灰体v单色发射率不随波长而变化的物体,我们称之为灰体
10、单色发射率不随波长而变化的物体,我们称之为灰体 v作为一种研究中的假想物体,在自然界中灰体并不存在的作为一种研究中的假想物体,在自然界中灰体并不存在的;v灰体的辐射力遵循斯蒂芬灰体的辐射力遵循斯蒂芬-玻尔兹曼定律,即玻尔兹曼定律,即 C灰体辐射系数灰体辐射系数 第15页,本讲稿共37页 自然界中并不存在绝对的黑体,用人工的方法可以制造出十分接近黑体的模型,自然界中并不存在绝对的黑体,用人工的方法可以制造出十分接近黑体的模型,如图,在前墙上开一个小孔的空腔制成黑体,空腔壁面应保持均匀的温度。当辐如图,在前墙上开一个小孔的空腔制成黑体,空腔壁面应保持均匀的温度。当辐射经过小孔射进空腔时,在空腔内要
11、经历多次的吸收和反射,而每经过一次吸收,射经过小孔射进空腔时,在空腔内要经历多次的吸收和反射,而每经过一次吸收,辐射能就按照内壁面吸收率的份额被减弱一次,最终能离开小孔的能量微乎其微,辐射能就按照内壁面吸收率的份额被减弱一次,最终能离开小孔的能量微乎其微,可认为完全被吸收再空腔内。可认为完全被吸收再空腔内。三、辐射力和单色辐射力第16页,本讲稿共37页第十二章第十二章 辐射换热辐射换热 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 辐射力辐射力是指物体是指物体单位表面积上单位时间内向半球空间所有方向发射的全部波长范围单位表面积上单位时间内向半球空间所有方向发射的全部波长范围内的总能量内的总能量,用符号,用
12、符号E表示。若物体的表面积为表示。若物体的表面积为F,所发射出去的总能量是,所发射出去的总能量是Q,则辐射力则辐射力为:为:w/m2 物体辐射能量按波长的分布是不均匀的。若在波长物体辐射能量按波长的分布是不均匀的。若在波长至至d的波段内,辐射的能量为的波段内,辐射的能量为dE则:则:w/m2 E表示单位时间内,物体在单位面积上向半球空间所有方向发射的某一特定波长的表示单位时间内,物体在单位面积上向半球空间所有方向发射的某一特定波长的能量,称能量,称单色辐射力单色辐射力。凡属黑体的一切量都用凡属黑体的一切量都用E0表示。表示。第17页,本讲稿共37页 v前面定义了黑体的发射特性:同温度下,黑体发
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