傳熱與傳質第五章

第五章 輻射換熱,5-1 熱輻射的基本概念 熱輻射的本質和特點 . 本質由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁波輻射，即物體轉化本身的熱能向外發(fā)射輻射能，其波長位于0.38100m范圍，且大部分位于紅外線波段 。熱輻射是物體的一種屬性，當T0K時就能進行輻射。能夠輻射的物體也能吸收輻射能。由于熱輻射的方式使熱量從高溫物體傳向低溫物體的過程稱為輻射換熱。,5-1 熱輻射的基本概念 . 特點,吸收率,反射率,穿透率,對于固體、液體：,對于氣體：,理想模型：,黑體,鏡體,白體,透明體,（5-1）,5-1 熱輻射的基本概念 黑體的輻射 . 黑體的模型 黑體能夠全部吸收各種波長的輻射能，=1 . 黑體的輻射 輻射力E：物體在單位時間內單位表面積向表面上半球空間所有方向發(fā)射的全部波長的總輻射能量 , W/m2,（5-2）,（1）吸收能力最大的黑體一定具有最大的輻射能力,（2）黑體吸收和輻射的能力是溫度的函數(shù),第五章 輻射換熱,5-2 熱輻射的基本定律 普朗克定律 揭示黑體輻射能量按波長的分布規(guī)律,（5-3）,（5-4）,維恩位移定律黑體的熱力學溫度和最大單色輻射力的波長m之間的關系 對（5-3）式求導，令,一定時,或,時,5-2 熱輻射的基本定律 斯蒂芬波爾茲曼定律揭示黑體輻射力與絕對溫度關系的定律將（5-3）式代入（5-2）式，在=0范圍內進行積分:,（5-5）,黑體輻射常數(shù),蘭貝特定律 . 定向輻射強度I：單位時間內物體單位可見面積向方向在單位立體角內所輻射的能量.定向輻射力E ：單位時間內物體單位面積向方向在單位立體角內所發(fā)射的全部波長的能量,5-2 熱輻射的基本定律 蘭貝特定律 . 蘭貝特定律表達式,（5-6）,（5-7）,基爾霍夫定律 揭示物體輻射力與吸收率之間的關系,任何物體的輻射力與它對來自同溫度黑體輻射的吸收率的比值，與物性無關而僅取決于溫度，恒等于同溫度下黑體的輻射力。 （1）在相同溫度下，黑體的輻射力最大。 （2）善于輻射的物體必善于吸收。,黑體表面的定向輻射強度與方向無關，僅隨溫度而變,第五章 輻射換熱,5-3 固體和液體及灰體的輻射 固體和液體的輻射 .黑度(發(fā)射率) 物體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之比,（5-8）,（5-9）,（5-10）,表征實際物體的輻射能力接近同溫度黑體的輻射能力的程度，與物體的種類、表面狀況和溫度有關，即僅決定于物體本身的條件。 . 單色黑度,5-3 固體和液體及灰體的輻射 灰體的輻射灰體的輻射光譜與黑體輻射光譜曲線類似 （1）與均與波長無關，即：,（2）由基爾霍夫定律可推出：,在高溫下（T2000K），多數(shù)工程材料的熱輻射主要處于紅外線范圍，在該范圍內隨的變化不大，因而可視為灰體。,第五章 輻射換熱,5-4 黑體間的輻射換熱及角系數(shù) 黑體間的輻射換熱 . 角系數(shù)：某物體對空間另一物體輻射的能量占其全部輻射能量的百分率，它只與幾何因素有關,（5-11）,角系數(shù)的相對性（互換性）,. 二黑體表面間的輻射換熱量,當達到熱平衡時有：,5-4 黑體間的輻射換熱及角系數(shù) 黑體間的輻射換熱,（5-12）,（5-13）,-輻射勢差,-空間輻射熱阻，僅與幾何因素有關,（5-14）,角系數(shù)的性質及確定 . 性質 （1）相對性（互換性): 揭示角系數(shù)間的相互聯(lián)系和制約關系,5-4 黑體間的輻射換熱及角系數(shù) 角系數(shù)的性質及確定 . 性質 （2）完整性,（5-15）,（5-16）,. 角系數(shù)的確定 （1）積分法：直接對角系數(shù)的定義式積分。（2）代數(shù)法：參見書P157158。（3）線算圖：利用相對性和完整性，采用交叉線法繪成的線圖來查得相對應的角系數(shù)。,（3）可加性,第五章 輻射換熱,5-5 灰體間的輻射換熱 有效輻射,（5-17）,對于黑體：,. 投入輻射G：單位時間內投射到表面單位面積上的總輻射能。. 本身輻射E：單位時間內表面單位面積向外界發(fā)射的總輻射能。. 有效輻射J：單位時間內離開表面單位面積的總輻射能。,第五章 輻射換熱,5-5 灰體間的輻射換熱 灰體間的輻射換熱（封閉體系） . 兩個灰體間的輻射換熱,（5-18）,（5-19）,對于表面1有：單位面積失去的熱量為：,消去G1，得：,5-5 灰體間的輻射換熱 灰體間的輻射換熱（封閉體系） . 兩個灰體間的輻射換熱同理：,（5-20）,-表面輻射熱阻,由于換熱只發(fā)生于A1和A2之間，則1= 2= 12,5-5 灰體間的輻射換熱 灰體間的輻射換熱（封閉體系）特殊情況的輻射換熱： （1）空腔內物體與空腔內壁的輻射換熱,（5-21）,（5-22）,（5-23）,（2）表面積A1和A2相差甚小,（3）表面積A2比 A1大得多,5-5 灰體間的輻射換熱 灰體間的輻射換熱（封閉體系） . 多個灰體間的輻射換熱（網(wǎng)絡解法） （1）應用電路分析原理求解：串、并聯(lián)分析（2）電學基爾霍夫定律來求解，即沿各個方向流入節(jié)點的電流（熱流）的總和為零,節(jié)點2：,節(jié)點3：,聯(lián)立三式可求出J1、 J2、 J3,各輻射換熱量,節(jié)點1：,5-5 灰體間的輻射換熱 灰體間的輻射換熱（封閉體系） . 具有重輻射面的封閉腔的輻射換熱重輻射面：系統(tǒng)中與其它表面溫度不同而凈換熱量為零的表面，即落在其表面上的輻射熱量將全部反射出去 。,重輻射面的有效輻射與它本身的溫度和輻射特性無關，整個系統(tǒng)的輻射換熱也與重輻射面的溫度和輻射特性無關，而僅與其幾何特性有關。,溫度來看，可視為黑體處理 能量來看，可視為白體處理,5-5 灰體間的輻射換熱 灰體間的輻射換熱（封閉體系） . 具有重輻射面的封閉腔的輻射換熱 絕熱表面的溫度是未知的，而由其他兩個表面所決定。,J3=Eb3是一個浮動的電勢，取決于 J1 及 J2 其間的兩個空間輻射熱阻。,5-5 灰體間的輻射換熱 灰體間的輻射換熱（封閉體系） 例5-4 面積均為5050cm2的表面1和表面2相互垂直放置如圖所示，表面1的溫度T1=1000K, 1=0.6, A1=0.25m2。表面2絕熱，A2=0.25m2。二表面與壁溫Tw=300K的大房間進行穩(wěn)定的輻射換熱。試確定絕熱表面2的溫度和表面1的輻射熱量1。,解: 因為A3為大房間的面積，故 :,查圖11-13得：,第五章 輻射換熱,5-6 氣體輻射和吸收 氣體輻射和吸收的特點 .氣體是否具有輻射和吸收的能力取決于氣體的 種類及其所處的溫度。單原子、分子結構對稱的雙原子氣體以及純凈的空氣可視為透明體，=1；非對稱結構的雙原子氣體或多原子氣體以及所有的有機氣體都具有輻射和吸收的本領。. 氣體輻射和吸收對波長具有選擇性 . 氣體的輻射和吸收在整個容積中進行，氣體的穿透率按指數(shù)規(guī)律衰減 . 氣體的反射率為零， =0, +=1,第五章 輻射換熱,5-6 氣體輻射和吸收 氣體黑度及影響因素,（5-24）,影響因素：氣體的種類、溫度、分壓力、射線平均行程（容積形狀）等,（5-25）,第五章 輻射換熱,5-7 對流與輻射共同存在時的熱量傳輸 綜合換熱（復合換熱）的定義 由兩種或兩種以上的熱傳遞基本方式組成的換熱過程 對流與輻射組成的綜合換熱,-系統(tǒng)黑度,-輻射換熱系數(shù),-復合換熱系數(shù)、總換熱系數(shù),5-7 對流與輻射共同存在時的熱量傳輸 輻射與導熱組成的綜合換熱,-導熱熱流量,傳熱過程：高溫流體經(jīng)過固體壁把熱量傳給低溫流體的過程,-傳熱系數(shù),本章小結熱輻射的本質，以及與導熱、對流換熱的區(qū)別。 熱輻射的基本定律（普朗克定律、維恩位移定律、蘭貝特定律、斯蒂芬波爾茲曼定律、基爾霍夫定律）。 黑體