第七章 辐射换热Radiation Heat Transfer.ppt

第七章第七章 辐射换热辐射换热Radiation Heat Transfer1 7-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 绪论中我们讲过，辐射是热量传递的三种基绪论中我们讲过，辐射是热量传递的三种基本方式之一。教科书的安排方法是分别介绍导热、本方式之一。教科书的安排方法是分别介绍导热、对流和辐射，然后再将它们综合在一起。对流和辐射，然后再将它们综合在一起。在工农业生产和日常，生活中有大量的辐在工农业生产和日常，生活中有大量的辐射问题。锅炉炉膛主要是辐射传热。除了烟气温射问题。锅炉炉膛主要是辐射传热。除了烟气温读较低的空气预热器以外，读较低的空气预热器以外，其余各受热面的传热其余各受热面的传热计算都要考虑辐射换热。如锅炉运行时的汽温特计算都要考虑辐射换热。如锅炉运行时的汽温特性、暖气、太阳能等。性、暖气、太阳能等。2 辐射辐射(Radiation)：以电磁波传递能量的过程。以电磁波传递能量的过程。热辐射热辐射(Thermal Radiation)：由于热的原因而由于热的原因而发生的辐射。发生的辐射。一、热辐射及其本质一、热辐射及其本质 辐射是电磁波，它就由一般电磁波的共性，即辐射是电磁波，它就由一般电磁波的共性，即它是一光速在空间传播的。有下列关系成立：它是一光速在空间传播的。有下列关系成立：式中：式中：C C 速度速度 f f 频率频率 波长波长3Cosmic rays up to 4 10-7 mGamma rays 4 10-7 to 1.4 10-4 mX-rays 1 10-5 to 2 10-2 mUltraviolet rays 1 10-2 to 3.9 10-4 mVisible light 0.38 to 0.76 mInfrared rays 0.76 to 1000 mRadio and 1000 to 2 1010 m Hertzian waves Heat rays 0.1 to 100 m 二、电磁波谱二、电磁波谱(Electromagnetic spectrumElectromagnetic spectrum)4 如图所示，热辐射，如图所示，热辐射，0.11000.1100mm；可见光，可见光，0.380.76 0.380.76 m m。地球上地球上大部分物体大部分物体 2000 2000K 0.38-100 mK 0.38-100 m 大部分在大部分在0.76-20 0.76-20 mm 太阳太阳 5762 5762K K的黑体的黑体 在在0.2-20.2-2mm 0.76-20 m 0.76-20 m为红外线区域为红外线区域 近红外线近红外线(Near infraredNear infrared)远红外线远红外线(FarFar infraredinfrared)。5三、热辐射的吸收、穿透和反射三、热辐射的吸收、穿透和反射 光辐射大家是熟悉的。当一束光投在一物体上光辐射大家是熟悉的。当一束光投在一物体上后，一部分被吸收，一部分被反射，还有一部分穿过后，一部分被吸收，一部分被反射，还有一部分穿过物体。热辐射也有同样的性质。物体。热辐射也有同样的性质。投射辐射投射辐射(Incident radiation or Irradiation)为为Q ,如图，其中：如图，其中：吸收：吸收：QQ反射：反射：QQ穿透：穿透：QQ 由热力学第一定律：由热力学第一定律：或：或：Q 6固体、液体：当辐射能进入其表面后，在极短的距固体、液体：当辐射能进入其表面后，在极短的距离内就被吸收完了。金属导体，这个距离只有离内就被吸收完了。金属导体，这个距离只有1微微米的量级。大多数非导电材料，这个距离小于米的量级。大多数非导电材料，这个距离小于1毫毫米。而是用工程材料都大于这个数值，故可以认为米。而是用工程材料都大于这个数值，故可以认为固体和液体的固体和液体的=0，于是：于是：则：则：吸收吸收比比(率率)absorptivityabsorptivity反射比反射比(率率)reflectivityreflectivity穿透比穿透比(率率)transmissivitytransmissivity7 反射现象也同光一样，有镜面反射和漫反射之分，反射现象也同光一样，有镜面反射和漫反射之分，镜面反射：入射角镜面反射：入射角=反射角，反射角，表面粗糙度表面粗糙度波长波长 气体：当辐射投在气体上，它几乎没有反射能力，当辐射投在气体上，它几乎没有反射能力，故可以认为故可以认为=0，于是于是 固体，液体对辐射的吸收和反射都是在表面上固体，液体对辐射的吸收和反射都是在表面上进行的，而不涉及其内部，故表面的状况对辐射的进行的，而不涉及其内部，故表面的状况对辐射的影响是至关重要的。影响是至关重要的。玻璃？玻璃？气体的辐射和吸收都是在内部进行的，表面形气体的辐射和吸收都是在内部进行的，表面形状则无关紧要状则无关紧要。89四、理想辐射模型四、理想辐射模型 黑体不是黑色物体黑体不是黑色物体 黑体，镜体和透明体并不存在。人黑体，镜体和透明体并不存在。人工可以制造十分接近黑体工可以制造十分接近黑体(内表面内表面6%6%的小孔，的小孔，0.996)0.996)的模型。的模型。黑体如同不可压流体、可逆循环等黑体如同不可压流体、可逆循环等一样，是一种理想化的研究方法。一样，是一种理想化的研究方法。黑体黑体(perfectperfect black body black body)理想的反射体（理想的反射体（perfect reflectorperfect reflector)镜体镜体(specularspecular)白体白体(diffuse perfect reflector)diffuse perfect reflector)透明体透明体(transparent mediatransparent media)107-2 黑体辐射基本定律(Black Body Radiation)1.1.辐射力辐射力(EmissivePowerEmissivePower)：单位时间内物体的单位表面积向半球空间所有方向发单位时间内物体的单位表面积向半球空间所有方向发射出去的全部波长的辐射能量射出去的全部波长的辐射能量(W/mW/m2 2)。一、基本概念一、基本概念半球空间：半球空间：dAdA辐射是向着它的上方各个辐射是向着它的上方各个方向的。如在上方做个半球，则方向的。如在上方做个半球，则dAdA发出的辐射能全部要通过这个发出的辐射能全部要通过这个半球空间，所以我们称半球空间，所以我们称dAdA以上的以上的空间为半球空间。空间为半球空间。11(Monochromatic Emissive Power or Spectral Emissive Power Monochromatic Emissive Power or Spectral Emissive Power)：单位面积辐射体在单位时间内向半球空间发射单位面积辐射体在单位时间内向半球空间发射的波长为的波长为(+(+dd区间区间)的能量。的能量。为曲线下的总面积。为曲线下的总面积。如图如图 2.2.光谱辐射力光谱辐射力12 (Basic Law for Black Body Radiation)Basic Law for Black Body Radiation)黑体辐射的理论是建立在如下几个基本定律基黑体辐射的理论是建立在如下几个基本定律基础上的，即：础上的，即：普朗克普朗克(PlankPlank)定律定律(1900)(1900)维恩位移维恩位移(WienWiens displacements displacement)定律；定律；(1893(1893热力热力 学理论得出）学理论得出）斯忒藩斯忒藩-波尔兹曼波尔兹曼(Stefan-Stefan-BoltzmanBoltzman)定律（定律（18791879实实验，验，1884 1884热力学理论）热力学理论）兰贝特兰贝特(LambertLambert)定律定律 。二：黑体辐射的基本定律二：黑体辐射的基本定律13 1.Planks Law(1900)：黑体得辐射实验黑体得辐射实验前人得工作前人得工作紫外灾变紫外灾变 Planks Law E Eb b-光谱辐射力光谱辐射力,W/mW/m3 3；-波长波长,mm；T T -黑体热力学温度黑体热力学温度,K K；e -e -自然对数的底；自然对数的底；c c1 1 -第一辐射常量第一辐射常量,3.74210,3.74210-16-16 W mW m2 2；c c2 2 -第二辐射常量第二辐射常量,1.438 10,1.438 10-2-2m Km K。PlanckPlanckPlanckPlanck认为黑体以认为黑体以认为黑体以认为黑体以hvhvhvhv为能量单位，不断发射和吸收频率为为能量单位，不断发射和吸收频率为为能量单位，不断发射和吸收频率为为能量单位，不断发射和吸收频率为 v v v v的辐射，的辐射，的辐射，的辐射，hvhvhvhv称为能量子称为能量子称为能量子称为能量子14由由PlanckPlanck定律知定律知 E E=f f(,T,T)如图，如图，E E有最大值；有最大值；随着随着T T 增大增大 maxmax向左移动向左移动2.Wiens displacement Law1893热力学理论得出，由热力学理论得出，由Planks Law对对 求导，并求导，并令令 15 如不是黑体，则不完全遵守这个定律，但其变化方向是如不是黑体，则不完全遵守这个定律，但其变化方向是相同的，例如金属（钢锭）：相同的，例如金属（钢锭）：当当T T500C500C时，没有可见光，时，没有可见光，颜色不变；颜色不变；T T 增大，其颜色分别为暗红、鲜红、桔黄和白色。增大，其颜色分别为暗红、鲜红、桔黄和白色。例题例题例题例题7-1 7-1 7-1 7-1 试分别计算温度为试分别计算温度为试分别计算温度为试分别计算温度为2000200020002000K K K K和和和和5800580058005800K K K K的的的的黑体的最大单黑体的最大单黑体的最大单黑体的最大单色辐射力所对应的波长。色辐射力所对应的波长。色辐射力所对应的波长。色辐射力所对应的波长。解：解：解：解：应用应用应用应用WienWienWienWien位移定律位移定律位移定律位移定律 T=2000K T=2000K T=2000K T=2000K 时时时时 maxmax=2.9=2.9 1010-3-3/2000=1.45/2000=1.45 mmmm T=5800K T=5800K T=5800K T=5800K 时时时时 maxmax=2.9=2.9 1010-3-3/5800=0.50/5800=0.50 mmmm 常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区 太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区163.3.Stefan-Stefan-BoltzmanBoltzman Law Law 18791879年年StefanStefan实验，实验，18841884年年 BoltzmanBoltzman热力学理论热力学理论将将Planks LawPlanks Law积分即得：积分即得：式中：式中：为黑体辐射常数，其值为为黑体辐射常数，其值为5.675.67 1010-8-8W/(mW/(m2 2KK4 4)。为计算高温辐射的方便，可为计算高温辐射的方便，可改写为：改写为：式中，式中，C C0 0为黑体辐射系数，为黑体辐射系数，5.675.67W/(mW/(m2 2KK4 4)。17 在实际中，有时需求出某一特定波长的辐射能量。在实际中，有时需求出某一特定波长的辐射能量。由由Planck定律定律,黑体在波长至去段所发射出的辐射黑体在波长至去段所发射出的辐射能为：能为：即右图中的在即右图中的在 1 1 和和 2 2 之间之间的的 线下面积。线下面积。通常用通常用 同温同温度下的百分数表示，度下的百分数表示，18 f(T)称为黑体辐射函数称为黑体辐射函数 (Radiation Function or Fractional function)其数值见教材其数值见教材 第第277页表页表6-1 已知能量份额后，在给定的波段区间，单位时间内已知能量份额后，在给定的波段区间，单位时间内黑体黑体 单位面积所辐射的能量可方便地由下式算出：单位面积所辐射的能量可方便地由下式算出：式中，式中，F Fb b（0-0-1 1）、）、F Fb b（0-0-2 2）分别为波长从分别为波长从0 0至至 1 1和和0 0至至 2 2的黑体的黑体辐射占同温度下黑体辐射力的百分数。能量份额辐射占同温度下黑体辐射力的百分数。能量份额F Fb b（0-0-）可以可以表示为单一变量表示为单一变量 T T 的函数，即的函数，即19例题例题 7-3 7-3 试分别计算温度为试分别计算温度为10001000K K、1400K1400K、3000K3000K、6000K6000K时可见光和红外辐射在黑体总辐射中所占的份额。时可见光和红外辐射在黑体总辐射中所占的份额。辐射与颜色的关系：辐射与颜色的关系：夏天穿白色衣服凉快，因为我们吸收的是太阳辐射夏天穿白色衣服凉快，因为我们吸收的是太阳辐射(0.2-(0.2-2 2 m)m)m)m)可见光占比例很大。可见光占比例很大。可见光占比例很大。可见光占比例很大。地球上物体的辐射不同，因温度低（地球上物体的辐射不同，因温度低（地球上物体的辐射不同，因温度低（地球上物体的辐射不同，因温度低（2000200020002000K K K K）以下，多以下，多以下，多以下，多与颜色无关与颜色无关与颜色无关与颜色无关204.4.LambertLamberts Laws Law 平面角如图平面角如图7-6，s为弧长，为弧长，r为半径。为半径。=s/r（rad）立体角如图立体角如图7-7，一个半球，在球面上取一个小面积，一个半球，在球面上取一个小面积，在这个面积周边向球心做射线，则这些射线所包围的空间即在这个面积周边向球心做射线，则这些射线所包围的空间即为立体角。立体角的度量用球面度。为立体角。立体角的度量用球面度。rs 平面角定义图平面角定义图 两个概念：两个概念：(1)(1)立体角立体角(Solid angleSolid angle)21为清楚起见，将这个立体角放大，为清楚起见，将这个立体角放大，即：即：半圆：半圆：半球：半球：如图，在半球上割下一块微元面积如图，在半球上割下一块微元面积dAdAc c，则则dAdAc c对应的立体角为微元立体角对应的立体角为微元立体角SteradianSteradian22(2)(2)定向辐射强度定向辐射强度(Intensity of Intensity of radiationradiation)目的：辐射能按方向分布目的：辐射能按方向分布比较基础：相同的立体角比较基础：相同的立体角 相同的可见表面积相同的可见表面积 定向辐射强度定向辐射强度(Intensity of radiationIntensity of radiation)：单位时间、单位可见辐射表面、单位立体角内单位时间、单位可见辐射表面、单位立体角内的辐射能。的辐射能。为可见辐射面积。为可见辐射面积。其中：其中：23可见辐射面积的重要性可见辐射面积的重要性24 黑体的定向辐射强度与方向无关。黑体的定向辐射强度与方向无关。即即(3).(3).Lamberts LawLamberts Law问题：暖器取暖时与方向有关，太阳辐射与方向有关，是问题：暖器取暖时与方向有关，太阳辐射与方向有关，是问题：暖器取暖时与方向有关，太阳辐射与方向有关，是问题：暖器取暖时与方向有关，太阳辐射与方向有关，是否与否与否与否与Lamberts LawLamberts Law相矛盾？相矛盾？将定向辐射强度定义变形，得辐射能将定向辐射强度定义变形，得辐射能人与暖器得距离不变时，人与暖器得距离不变时，d d const.const.dAdA=const.=const.L L()=const.)=const.角度不同，角度不同，coscos不同。不同。当当=0=0时，辐射面时，辐射面获得的能量最多。获得的能量最多。故故Lamberts LawLamberts Law又称余弦定律又称余弦定律Cosine LawCosine Law。25在半球空间上即单位时间、单位表面积在半球空在半球空间上即单位时间、单位表面积在半球空间发射的全部波长的辐射能，即辐射力：间发射的全部波长的辐射能，即辐射力：(4).(4).Emissive Power and Intensity of RadiationEmissive Power and Intensity of Radiation d d()/dA dA 为为 方向方向d d 内单位面积辐射能。内单位面积辐射能。26