传输原理教案-(第10章)-传热.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,本章概括：,1.,热辐射,是物体因本身的温度，以电磁波的形式向外界发射能量的现象，是热量传递的三种基本方式之一。,2.,研究热辐射的意义：,在现代科学技术的许多传热过程中，,辐射换热,起着重要的，甚至是主导的作用，需要进行准确的辐射换热计算。,3.本章主要内容,：,（1）,辐射概念；基本定律；（2）黑体；实际物体辐射换热计算方法；（3）气体辐射特点。,第二篇：热量传输,第十章 辐射换热 p218,1,10.1 热辐射的基本概念,1.热辐射的本质,（1）,辐射,物体中分子（原子）受激发而以电磁波的形式释放能量的现象，称为辐射。电磁波携带的能量,称为,辐射能,。,（2）,任何物体,都,随时,向周围空间,发射电磁波,，,因热的原因,，以电磁波方式释放能量，即热辐射。,（3）,只要,物体温度高于绝对零度,，就会产生热辐射。以热辐射的方式进行物体间的热量传递，称为,辐射换热,。,（4）,辐射换热中伴随能量转换,：物质受热激发起原子的复杂运动，进而向外以电磁波的形式发射并传播的能量。接受这种电磁波的物体又将吸收的,辐射能转变成热能。,2,2.辐射换热与导热、对流换热有本质的区别：,（1）,热辐射所发射的辐射能,取决于物体的温度,，温度越高，辐射越强。,（2）,热辐射不依赖于物质的媒介作用，是一种,非接触的传热方式,，因此热辐射是,真空中唯一的传递热量的方式,。,3,3.电磁波谱（波长,）,2000K以下，热辐射波长一般位于0.38100,m，其中大部分位于0.7620,m,热射线：,能被物体吸收而转变成热能的辐射线称作,热射线,。,热射线包括,紫外线,，,可见光,和,红外线,三个波段。,可见光:0.4 0.78,m,紫外线:10,-2,0.4,m,红外线:0.8 50,m,4,3,吸收率，反射率，穿透率,设辐射到物体表面的总能量 Q，,其中：物体吸收,Q,反射,Q,穿透,Q,，则有：,Q=Q,+Q,+Q,即：,令,则,+,+,=1,(吸收率),(反射率),(穿透率),5,注意几点：,（1）,固体、液体在其表面下1m1mm之间可以将辐射能吸收完毕，并且转化为热能。,（2）,实际厚度一般 远大于此，可以认为固液体不能透过热辐射，,热辐射全部被吸收或者反射，穿透率=0，即+=1,（3）对固体和液体的辐射、吸收、反射特性的影响因素：,物体表面材料的性质、表面状态、覆盖层厚度、温度等。,（4）辐射能的反射情况,决定于,热辐射波长,与,表面不平整尺寸,的相对大小。,时，属于镜面反射,。,（5）,气体的辐射和吸收,在整个容器中进行,，气体对辐射能,几乎没有反射能力,（吸收一部分，穿透一部分）。,6,10.3 辐射基本定律,10.3.1.普朗克定律（Plangck,1900）,C,1,3.74310,-6,C,2,1.438710,-2,某温度下,：,普郎克定律表明：,黑体辐射能,按照波长的分布规律。或者说黑体单色辐射力E,b,随,波长,和,温度,而变化的函数。,观察上图：每条曲线下的面积表示,某个温度下,黑体的辐射力。辐射力,E,b,随黑体温度的升高而增大。,（10-8）,黑体辐射能与波长、温度的关系依据式（10-8）绘制而成。,8,利用Wien位移定律，测得黑体表面,最大的单色辐射力波长,m,时，就可以由之估算出表面温度。,10.3.2 维恩(Wien)位移定律,黑体辐射中,能量最大的波长,m,与绝对温度成反比。,例：太阳辐射,m,0.5m，,T2.910,-3,/0.510,-6,5800K (太阳表面温度),9,10.3.3 斯特藩（Stefan）-玻尔兹曼（Boltzman）定律,C,0,黑体辐射系数,应用：,利用 Stefan-Boltzman定律，只要知道黑体表面的温度，即可求出黑体在该温度下的辐射力。,(10-8)带入（10-9）得到：,积分上式得,斯特藩玻尔兹曼定律,（10-11）,：,10,10.3.4.基尔霍夫,(Kirchhoff),定律,实际物体1（非黑体）,包在,黑体大空腔,内，,二者处于热平衡,。对于非黑体物1，黑体投来的辐射为,E,b,，非黑体吸收率为,，非黑体,吸收了,E,b,，非黑体辐射出E,1,。两者达到平衡。,由1的任意性，得：,1,基尔霍夫(Kirchhoff)定律的结论：,体系处于热平衡时，任何物体的,辐射力E,和,吸收率,的,比值,，,恒等于同温度下黑体的辐射力,。与物性无关，而仅仅取决于温度。,（10-13）,（基尔霍夫定律表达式）,11,基尔霍夫(Kirchhoff)定律的,推论：,物体的发射力和吸收率成正比。吸收力越大则辐射力也越大。（反之亦然）,相同温度下，黑体辐射力最强。,又因,所以吸收率,黑度,热平衡时,，物体对黑体辐射的,吸收率,等于同温度下该物体的,黑度,。,（10-13 基尔霍夫定律）,12,10.3.5.兰贝特(Lambert)定律-黑体辐射能在空间的分布,(1)定向辐射强度,I,p,（辐射强度）,在,单位时间,、,单位可见面积,、,单位立体角内,，辐射的能量叫做,定向辐射强度,。,Q,p,为任意,p,方向(与法线夹角,)上辐射的热流率。,是立体角（球面上表面积与球半径平方之比）。,13,（1）,可以证明，,I,p,I,m,=I,n,=,I（黑体定向辐射强度）,（10-16）,即：,黑体定向辐射强度在半球的各个方向上相等。,（10-15）,（10-17,余弦定律,）,黑体面积发生的辐射能,落到,空间不同方向单位立体角中的能量值,与,方向与表面法线这间的夹角余弦,成正比。,（余弦定律）,（2）,14,证明：辐射物体遵守兰贝特定律时，,辐射力,是,任何方向上定向辐射强度,的,倍,。,底面上,微元辐射面dF,，在球面上任意辐射方向p，取面积微元dFs，则与发射方向p垂直的辐射面面积为dF,cos,。立体角d。单位时间dF在p方向辐射能为dQp。所以：,图示：半球的半径为r,0,此半球覆盖在辐射微元面dF所在的平面上。,15,单位时间，dF对半球表面所有方向的总辐射能为：,另一方面，QE,dF,所以，,E=I。,得出（3）,E=I，,符合兰贝特定律的黑体表面，辐射力,是任意方向上定向辐射强 度的 倍,。,16,10.4 实际物体的辐射与吸收,10.4.1.实际物体的辐射特性,(1).,实际物体的辐射与绝对黑体不同。,(2).,黑体的单色辐射力E,b,随波长连续光滑地变化。而,实际物体的单色辐射力E,随波长和温度发生不规则变化。,实际E,T2,面1失去能量：,面2得到能量：,12换热：,(1),(2),(3),36,因为换热仅发生在 1,2之间，所以,Q(1,2净)Q(1)Q(2),由(1),(2),(3),(4)，得,(4),Eb1,J,1,J,2,E,b2,表面热阻,表面热阻,空间热阻,Q,37,两平行无限大灰体平板 P.231,：,（不考虑端部逸出的能量，一个表面辐射能量完全落入另一表面）,可视为 F,1,=F,2,F，且,1,2,2,1,1,令,s,1，系统黑度（发射率）,则,38,若板间有遮热板3：,串联。稳定时有,E,b1,J,1,J,3,E,b3,J,3,J,2,E,b2,Q,39,多表面间灰体辐射网络解法：,P.236,如图，三灰体表面构成封闭系统,E,b1,J,1,J,2,E,b2,J,3,E,b3,节点方程式：,P.236，(10-41)(10-43),看 P.236 例题,40,拉线法确定两表面间角系数,（垂直图面方向长度无限延伸）,作辅助线ac,bd,cb,ad,面积比用长度比代替,同理,41,10.8 气体辐射 p238,1.气体辐射与吸收特性,与分子结构有关,;,对波长有选择性,;,反射率为零,;,在整个容积中进行。,气体的辐射与吸收与气体的形状和容积有关。,42,气体吸收定律贝尔定律：,积分,x0 处入射单色辐射强度,入射辐射通过厚度为 x 的气体层后的辐射强度,K 单色辐射减弱系数,L 气体总厚度,厚度为L的气体层的单色穿透率,厚度为L的气体层的单色吸收率,热平衡：,所以，L很大时，,为黑体,43,显然，气体对指定界面某点的辐射力与气体厚度（或射线行程长度）L有关。L 取决于气体容器的形状、大小。任意几何形状的气体对整个容器表面（包壁）辐射的平均射线行程为：,气体发射率(黑度),44,