传输原理教案传热省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

本章概括：本章概括：1.热辐射热辐射是物体因本身温度，以电磁波形式向外界发射能量现象，是热量传递三种基本方式之一。2.研究热辐射意义：研究热辐射意义：在当代科学技术许多传热过程中，辐射换热起着主要，甚至是主导作用，需要进行准确辐射换热计算。3.本章主要内容本章主要内容：（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。第二篇第二篇：热量传输热量传输第十章 辐射换热 p2181第1页10.1 热辐射基本概念热辐射基本概念1.热辐射本质热辐射本质（1）辐射辐射物体中分子（原子）受激发而以电磁波形式释放物体中分子（原子）受激发而以电磁波形式释放能量现象，称为辐射。电磁波携带能量能量现象，称为辐射。电磁波携带能量称为称为辐射能辐射能。（2）任何物体任何物体都都随时随时向周围空间向周围空间发射电磁波发射电磁波，因热原因因热原因，以电，以电磁波方式释放能量，即热辐射。磁波方式释放能量，即热辐射。（3）只要只要物体温度高于绝对零度物体温度高于绝对零度，就会产生热辐射。以热辐射，就会产生热辐射。以热辐射方式进行物体间热量传递，称为方式进行物体间热量传递，称为辐射换热辐射换热。（4）辐射换热中伴随能量转换辐射换热中伴随能量转换：物质受热激发起原子复杂运动，：物质受热激发起原子复杂运动，进而向外以电磁波形式发射并传输能量。接收这种电磁波物进而向外以电磁波形式发射并传输能量。接收这种电磁波物体又将吸收体又将吸收辐射能转变成热能。辐射能转变成热能。2第2页2.辐射换热与导热、对流换热有本质区分：辐射换热与导热、对流换热有本质区分：（1）热辐射所发射辐射能热辐射所发射辐射能取决于物体温度取决于物体温度，温度越，温度越高，辐射越强。高，辐射越强。（2）热辐射不依赖于物质媒介作用，是一个热辐射不依赖于物质媒介作用，是一个非接触非接触传热方式传热方式，所以热辐射是，所以热辐射是真空中唯一传递热量方式真空中唯一传递热量方式。3第3页n n3.3.电磁波谱电磁波谱电磁波谱电磁波谱 （波长（波长（波长（波长）K以下，热辐射波长普通位于0.38100 m，其中大部分位于0.7620 m热射线：热射线：能被物体吸收而转变成热能辐射线称作能被物体吸收而转变成热能辐射线称作热射线热射线。热射线包含紫外线紫外线，可见光可见光和和红外线红外线三个波段。可见光:0.4 0.78 m紫外线:10-2 0.4 m红外线:0.8 50 m4第4页3 吸收率，反射率，穿透率吸收率，反射率，穿透率 设辐射到物体表面总能量设辐射到物体表面总能量 Q，其中：物体吸收Q,反射Q,穿透Q，则有：Q=Q+Q+Q 即：令 则则 +=1(吸收率吸收率)(反射率反射率)(穿透率穿透率)5第5页注意几点：注意几点：注意几点：注意几点：（1 1）固体、液体在其表面下固体、液体在其表面下固体、液体在其表面下固体、液体在其表面下1m1m1mm1mm之间能够将辐射能吸收之间能够将辐射能吸收之间能够将辐射能吸收之间能够将辐射能吸收完成，而且转化为热能。完成，而且转化为热能。完成，而且转化为热能。完成，而且转化为热能。（2 2）实际厚度普通实际厚度普通 远大于此，能够认为固液体不能透过热辐射，远大于此，能够认为固液体不能透过热辐射，热辐射全部被吸收或者反射，穿透率热辐射全部被吸收或者反射，穿透率热辐射全部被吸收或者反射，穿透率热辐射全部被吸收或者反射，穿透率=0=0，即，即，即，即+=1+=1（3 3）对固体和液体辐射、吸收、反射特征影响原因：）对固体和液体辐射、吸收、反射特征影响原因：）对固体和液体辐射、吸收、反射特征影响原因：）对固体和液体辐射、吸收、反射特征影响原因：物体表面物体表面物体表面物体表面材料性质、表面状态、覆盖层厚度、温度等。材料性质、表面状态、覆盖层厚度、温度等。材料性质、表面状态、覆盖层厚度、温度等。材料性质、表面状态、覆盖层厚度、温度等。（4 4）辐射能反射情况）辐射能反射情况）辐射能反射情况）辐射能反射情况决定于决定于热辐射波长热辐射波长热辐射波长热辐射波长 与与表面不平整尺寸表面不平整尺寸表面不平整尺寸表面不平整尺寸 相相对大小。对大小。时时，属于，属于，属于，属于镜镜面反射面反射面反射面反射。（5 5）气体辐射和吸收气体辐射和吸收气体辐射和吸收气体辐射和吸收在整个容器中进行在整个容器中进行在整个容器中进行在整个容器中进行，气体对辐射能，气体对辐射能，气体对辐射能，气体对辐射能几乎没几乎没几乎没几乎没有反射能力有反射能力有反射能力有反射能力（吸收一部分，穿透一部分）。（吸收一部分，穿透一部分）。（吸收一部分，穿透一部分）。（吸收一部分，穿透一部分）。6第6页10.2 黑体辐射黑体辐射1.1.黑体黑体黑体黑体吸收率吸收率吸收率吸收率 1 1 物体叫物体叫物体叫物体叫 绝对绝对黑体黑体黑体黑体，简简称称称称黑体黑体黑体黑体。反射率反射率反射率反射率 1 1 物体叫物体叫物体叫物体叫 镜镜体体体体。（漫反射，。（漫反射，。（漫反射，。（漫反射，绝对绝对白体）白体）白体）白体）穿透率穿透率穿透率穿透率 1 1 物体叫物体叫物体叫物体叫 绝对绝对透明体透明体透明体透明体，简简称称称称为为“透明体透明体透明体透明体”。黑体是理想黑体是理想黑体是理想黑体是理想态态，自然界中没有天然黑体，人工可制造靠近于黑，自然界中没有天然黑体，人工可制造靠近于黑，自然界中没有天然黑体，人工可制造靠近于黑，自然界中没有天然黑体，人工可制造靠近于黑体模型。体模型。体模型。体模型。3.黑度黑度（发射率）（发射率）令黑体辐射力令黑体辐射力Eb，实际物体辐射力实际物体辐射力E Eb 称物体黑度称物体黑度（发射率）。（发射率）。0 12.辐射力辐射力(E)（又叫（又叫“辐射照度辐射照度”）单位时间内，单位时间内，单位表面积单位表面积向向表面半球空间全部方向表面半球空间全部方向发射发射全部波全部波长总辐射能长总辐射能。（量刚：。（量刚：W/m2）7第7页10.3 辐射基本定律辐射基本定律10.3.1.10.3.1.普朗克定律普朗克定律普朗克定律普朗克定律 （Plangck,1900Plangck,1900）C1 3.74310-6C2 1.438710-2 某温度下：普郎克定律表明：普郎克定律表明：黑体辐射能黑体辐射能按照波按照波长分布规律。或者说黑体单色辐射力长分布规律。或者说黑体单色辐射力Eb随随波波长和和温度温度而改而改变函数。函数。观察上图：每条曲线下面积表示观察上图：每条曲线下面积表示某个温度下某个温度下黑体辐射力。辐射黑体辐射力。辐射力力 Eb 随黑体温度升高而增大。随黑体温度升高而增大。（10-8）黑体辐射能与波长、黑体辐射能与波长、温度关系依据式温度关系依据式（10-8）绘制而成。）绘制而成。8第8页利用Wien位移定律，测得黑体表面最大单色辐射力波长m时，就能够由之估算出表面温度。10.3.2 维恩维恩(Wien)位移定律位移定律黑体辐射中黑体辐射中,能量最大波长能量最大波长 m与与绝对温度成反比。绝对温度成反比。例：太阳辐射m0.5m，T2.910-3/0.510-65800K (太阳表面温度)9第9页10.3.3 10.3.3 斯特藩（斯特藩（斯特藩（斯特藩（StefanStefan）-玻尔兹曼（玻尔兹曼（玻尔兹曼（玻尔兹曼（BoltzmanBoltzman）定律）定律）定律）定律C0黑体辐射黑体辐射系数系数应用：应用：利用利用 Stefan-Boltzman定律，只要知道黑体表面温度，即定律，只要知道黑体表面温度，即可求出黑体在该温度下辐射力。可求出黑体在该温度下辐射力。(10-8)带入（带入（10-9）得到：）得到：积分上式得积分上式得 斯特藩玻斯特藩玻斯特藩玻斯特藩玻尔兹曼定律尔兹曼定律尔兹曼定律尔兹曼定律（10-1110-11）：10第10页10.3.4.基尔霍夫基尔霍夫(Kirchhoff)定律定律实际物体实际物体1（非黑体）（非黑体）包在包在黑体大空腔黑体大空腔内，内，二者处于热二者处于热平衡平衡。对于非黑体物。对于非黑体物1，黑体投来辐射为，黑体投来辐射为Eb，非黑体吸，非黑体吸收率为收率为，非黑体，非黑体吸收了吸收了 Eb，非黑体辐射出，非黑体辐射出E1。二者。二者到达平衡。到达平衡。由1任意性，得：1基尔霍夫基尔霍夫(Kirchhoff)定律结论：定律结论：体系处于热平衡时，任何物体体系处于热平衡时，任何物体辐射力辐射力E 和和 吸收率吸收率 比值比值，恒等于同温度下黑体辐射力恒等于同温度下黑体辐射力。与物性无关，而仅仅取决于温度。与物性无关，而仅仅取决于温度。（10-13）（基尔霍夫定律表示式）（基尔霍夫定律表示式）11第11页基尔霍夫基尔霍夫(Kirchhoff)定律定律推论：推论：1.物体发射力和吸收率成正比。吸收力越大则辐射力也越大。物体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）（反之亦然）2.相同温度下，黑体辐射力最强。相同温度下，黑体辐射力最强。又因所以吸收率所以吸收率 黑度黑度 热平衡时热平衡时，物体对黑体辐射，物体对黑体辐射吸吸收率收率等于同温度下该物体等于同温度下该物体黑度黑度。（10-13 基尔霍夫定律）基尔霍夫定律）12第12页10.3.5.兰贝特兰贝特(Lambert)定律定律-黑体辐射能在空间分布黑体辐射能在空间分布(1)定向辐射强度定向辐射强度 Ip （辐射强度）（辐射强度）在在单位时间单位时间、单位可见面积单位可见面积、单位立体角内单位立体角内，辐射能量叫做，辐射能量叫做定向辐射强度定向辐射强度。Qp 为任意为任意p方向方向(与法线夹角与法线夹角)上辐射热流率。上辐射热流率。是立体角（球面上表是立体角（球面上表面积与球半径平方之比）面积与球半径平方之比）。13第13页（1）能够证实，IpIm=In=I（黑体定向辐射强度）（10-16）即：黑体定向辐射强度在半球各个方向上相等。黑体定向辐射强度在半球各个方向上相等。（10-15）（10-17 余弦定律余弦定律）黑体面积发生辐射能黑体面积发生辐射能落到落到空间不一样方向单位立体空间不一样方向单位立体角中能量值角中能量值与与方向与表面法线这间夹角余弦方向与表面法线这间夹角余弦成正比。成正比。（余弦定律）（余弦定律）（2）14第14页证实证实：辐辐射物体恪守射物体恪守兰贝兰贝特定律特定律时时，辐辐射力射力是是任何方向上定向任何方向上定向辐辐射射强强度度倍倍。底面上微元微元辐辐射面射面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垂直辐射面面积为dFcos。立体角d。单位时间dF在p方向辐射能为dQp。所以：图示：半球半径为图示：半球半径为r0,此半球覆此半球覆盖在辐射微元面盖在辐射微元面dF所在平面上。所在平面上。15第15页单位时间，dF对半球表面全部方向总辐射能为：其次，QEdF所以，E=I。得出（得出（3）E=I，符合兰贝特定律黑体表面，辐射力符合兰贝特定律黑体表面，辐射力 是任意方向上定向辐射强是任意方向上定向辐射强 度度 倍倍。16第16页10.4 实际物体辐射与吸收实际物体辐射与吸收10.4.1.实际物体辐射特征实际物体辐射特征(1).实际物体辐射与绝对黑体不一样。(2).黑体单色辐射力Eb随波长连续光滑地改变。而实际物体单色辐射力E随波长和温度发生不规则改变。实际实际E T2面1失去能量：面2得到能量：12换热：(1)(2)(3)36第36页因为换热仅发生在 1,2之间，所以Q(1,2净)Q(1)Q(2)由(1),(2),(3),(4)，得(4)Eb1J1J2Eb2表面热阻表面热阻空间热阻Q37第37页两平行无限大灰体平板两平行无限大灰体平板 P.231：（不考虑端部逸出能量，一个表面辐射能量完全落入另一表面）可视为 F1=F2F，且1,22,11令s 1，系统黑度（发射率）则38第38页若板间有遮热板3：串联。稳定时有Eb1 J1 J3 Eb3 J3 J2 Eb2Q39第39页多表面间灰体辐射网络解法：多表面间灰体辐射网络解法：P.236如图，三灰体表面组成封闭系统Eb1 J1 J2 Eb2J3Eb3节点方程式：P.236，(10-41)(10-43)看 P.236 例题40第40页拉线法确定两表面间角系数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第41页10.8 气体辐射气体辐射 p2381.气体辐射与吸收特征气体辐射与吸收特征(1)与分子结构相关;(2)对波长有选择性;(3)反射率为零;(4)在整个容积中进行。气体辐射与吸收与气体形状和容积相关。42第42页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经过厚度为 x 气体层后辐射强度 K 单色辐射减弱系数L 气体总厚度厚度为L气体层单色穿透率厚度为L气体层单色吸收率热平衡：所以，L很大时，为黑体43第43页显然，气体对指定界面某点辐射力与气体厚度（或射线行程长度）L相关。L 取决于气体容器形状、大小。任意几何形状气体对整个容器表面（包壁）辐射平均射线行程为：气体发射率(黑度)44第44页