第三章傳熱學(xué)3輻射換熱ppt課件

1、1第三章第三章 傳熱學(xué)基礎(chǔ)傳熱學(xué)基礎(chǔ)輻射換熱輻射換熱西安建筑科技大學(xué)粉體工程研究所李 輝2內(nèi)內(nèi) 容容 輻射換熱基本概念 黑體輻射換熱的基本定律 實際物體與灰體的輻射 角系數(shù) 兩個灰體間的換熱31 輻射換熱基本概念輻射換熱基本概念1.1 熱輻射特點熱輻射特點(1) 定義：由自身溫度和熱運動的原因產(chǎn)生的，以電磁定義：由自身溫度和熱運動的原因產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞的能量；波形式傳遞的能量；(2) 特點：特點：a 任何物體，只要溫度高于任何物體，只要溫度高于0 K，就會不停，就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；地向周圍空間發(fā)出熱輻射；b 可以在真空中傳播；可以在真空中傳播；c 伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；伴隨能

2、量形式的轉(zhuǎn)變；d 具有強烈的方向性；具有強烈的方向性；e 輻射能與溫度和波長均有關(guān)；輻射能與溫度和波長均有關(guān)；f 發(fā)射輻射取決于溫度的發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。次方。41 輻射換熱基本概念輻射換熱基本概念1.2 電磁波譜電磁波譜電磁輻射包含了多種形式，而我們所感興趣的，即電磁輻射包含了多種形式，而我們所感興趣的，即工業(yè)上有實際意義的熱輻射區(qū)域一般為工業(yè)上有實際意義的熱輻射區(qū)域一般為0.1100m波長）。波長）。電磁波的傳播速度：電磁波的傳播速度： c = 式中：式中：c光速；光速； 頻率頻率; 波長，波長，m電磁輻射波譜51 輻射換熱基本概念輻射換熱基本概念1.3 物體對熱輻射的吸收、反射和

3、穿透物體對熱輻射的吸收、反射和穿透 當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時，一般會發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透，如下圖QQQQQQQQQQ11物體對熱輻射的吸收反射和穿透吸收率反射率透過率61 輻射換熱基本概念輻射換熱基本概念對于大多數(shù)的固體和液體：對于不含顆粒的氣體：對于黑體： 白體：透熱體：1反射又分鏡反射和漫反射兩種反射又分鏡反射和漫反射兩種鏡反射鏡反射漫反射漫反射111,01,07球面面積除以球半徑的平方稱為立體角，單位：sr(球面度).2ddrAc立體角定義圖1.4 立 體 角1 輻射換熱基本概念輻射換熱基本概念8微元立體角微元立體角可見輻射面積可見輻射面積ddsindd2rAc91 輻射換

4、熱基本概念輻射換熱基本概念1.5 輻射強度 在單位時間內(nèi)，在某給定輻射方向上，在與物體的發(fā)射方向垂直方向上的每單位投影面積，在單位立體角內(nèi)所發(fā)射的全波長的能量稱為該方向上的輻射強度，又稱定向輻射強度，用I表示，單位是W/m2sr。cosdQIddAdQdcosdA物體向方向所輻射的全波段能量方向的立體角方向的可見輻射面積101 輻射換熱基本概念輻射換熱基本概念單位時間內(nèi)，輻射物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長的能量總和。用E表示 (W/m2)；單色輻射力：單位時間內(nèi)，輻射物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的單位波長范圍內(nèi)(包含某一給定波長)的能量。 (W/m3)；E E、E E關(guān)系關(guān)系: :

5、顯然， E和E之間具有如下關(guān)系：ddEdEEE0，黑體一般采用下標(biāo)b表示，如黑體的輻射力為Eb，黑體的單色輻射力為EbddEE 1.6 1.6 輻射力輻射力E E111 輻射換熱基本概念輻射換熱基本概念單位時間內(nèi)輻射物體每單位面積向空間指定方向周圍單位立體角內(nèi)所輻射的全波段的能量，單位是W/m2sr，用E表示。 cosdQEIddA定向輻射力 121 輻射換熱基本概念輻射換熱基本概念本身輻射和反射輻射之和稱為物體的有效輻射 GEJ1.7 有效輻射132 黑體輻射定律黑體輻射定律黑體：是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體，是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實生活中是不存在的。但卻可以人工制造出近似的

6、人工黑體?；拘再|(zhì)：a.吸收率為1；不反射，不透過b.漫反射表面，其定向輻射力與方向無關(guān)c.在給定溫度下，黑體的輻射能力最大1. 黑體概念與基本性質(zhì) 141)(512TcbecE式中，式中， 波長，波長，m m ； T T 黑體溫度，黑體溫度，K K ； c1 c1 第一輻射常數(shù)，第一輻射常數(shù)，3.7423.74210-16 W10-16 Wm2m2； c2 c2 第二輻射常數(shù)，第二輻射常數(shù)，1.43881.438810-2 W10-2 WK K； 2.1 普朗克(Planck定律 (揭示了各種不同溫度下黑體的單色輻射力按波長分布的規(guī)律 )：右圖是根據(jù)上式描繪的黑體單色輻射力隨波長和溫度的關(guān)系

7、。m與T 的關(guān)系由Wien偏移定律給出.mTm K32 896 10達(dá)到最大單色輻射力時的波長2 黑體輻射定律黑體輻射定律152 黑體輻射定律黑體輻射定律2.2 2.2 斯蒂芬斯蒂芬波爾茨曼波爾茨曼Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann定律：定律：40)(51012TdecdEETcbb式中，=5.6710-8w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常數(shù)。T是黑體的絕對溫度，K黑體在波長1和2區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力：21dEEbb162.3 2.3 蘭貝特蘭貝特LambertLambert定律定律( (黑體輻射的第三個基本定律黑體輻射的第三個基本定律) )它

8、說明黑體的定向輻射力隨方向角按余弦規(guī)律變化，法線方向的輻射力最大 ，因此， Lambert定律也稱為余弦定律。IIIIIn321coscosnnEIE黑體表面具有漫射表面的性質(zhì)，在半球空間各個方向上的定向輻射強度都相等 2 黑體輻射定律黑體輻射定律17LambertLambert定律圖示定律圖示cos dnnEEE 2沿半球方向積分上式，可獲得半球輻射力E:IEEn1對于黑體來說，其法線方向上的輻射力為總輻射力的1/倍，即等于定向輻射強度 181 輻射率前面定義了黑體的輻射特性：同溫度下，黑體輻射熱的能力最強，包括所有方向和所有波長；真實物體表面的輻射能力低于同溫度下的黑體；因此，定義了輻射率

9、 (也稱為黑度) ：相同溫度下，實際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比:4TEEEb3 實際物體與灰體的輻射特性實際物體與灰體的輻射特性19上面公式只是針對方向和光譜波長平均的情況，但實際上，真實表面的輻射能力是隨方向和波長變化的。波長波長方向方向3.1 輻射率輻射率20因此，我們需要定義單色定向輻射率，對于某一指定的方向和波長 ,actual emitted, , ,blackbody, ,T ,T ,TbEEEE ,actual emitted ,blackbody0 ,T ,T ,T bEdEEEd0對上面公式在所有波長范圍內(nèi)積分，可得到定向輻射率，即實際物體的定向輻射力與黑體的定

10、向輻射力之比：實際物體的輻射力為 4TEEb 21幾種非導(dǎo)電體材料在不同方向上的定向輻射率( )(t=093.3)3.2 實際物體的定向輻射實際物體的定向輻射率率22黑體、灰體、白體等都是理想物體，而實際物體的輻射特性并不完全與這些理想物體相同，比如，(1)實際物體的輻射力與黑體和灰體的輻射力的差別見圖；(2) 實際物體的輻射力并不完全與熱力學(xué)溫度的四次方成正比；(3) 實際物體的定向輻射強度也不嚴(yán)格遵守Lambert定律，等等。因此，在工程上一般都將真實表面假設(shè)為漫發(fā)射面。實際物體、黑體和灰體的單色輻射力23留意服從Lambert定律的表面稱為漫射表面。雖然實際物體的定向輻射力并不完全符合L

11、ambert定律，但仍然近似地認(rèn)為大多數(shù)工程材料服從Lambert定律；物體表面的輻射率取決于物質(zhì)種類、表面溫度和表面狀況。這說明輻射率只與輻射熱量的物體本身有關(guān)，而不涉及外界條件。243.3 實際物體的吸收率和基爾霍夫?qū)嶋H物體的吸收率和基爾霍夫定律定律Semi-transparent medium1. 投入輻射：單位時間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射能 2. 選擇性吸收：投入輻射本身具有光譜特性，因此，實踐物體對投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長的不同而變化，這叫選擇性吸收3. 吸收率：物體對投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通常用表示，即122, 2101, 20?TTbTTbTEdGGEd1, 2014

12、2?TbTEdTGG黑體波長為的投射輻射，w/m2 所吸收的波長為的投射輻射，w/m2 251859年，Kirchhoff 用熱力學(xué)方法回答了這個問題，從而提出了Kirchhoff 定律。最簡單的推導(dǎo)是用兩塊無限大平板間的熱力學(xué)平衡方法。如下圖，板1是黑體，板2是任意物體，參數(shù)分別為Eb, T1 以及E, , T2，則當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時，有 bbbqEEEEEE0平行平板間的輻射換熱平行平板間的輻射換熱 基爾霍夫定律 （吸收率與輻射率之間的關(guān)系）26 此即Kirchhoff 定律的表達(dá)式之一。該式說明，在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，物體的吸收率等與它的輻射率。但該式具有如下限制：整個系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；

13、物體的吸收率和輻射率與溫度有關(guān)，二者只有處于同一溫度下的值才能相等；投射輻射源必須是同溫度下的黑體。27角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算1. 角系數(shù)的定義 在介紹角系數(shù)概念前，要先溫習(xí)兩個概念投入輻射：單位時間內(nèi)投射到單位面積上的總輻射能，記為G。(2)有效輻射：單位時間內(nèi)離開單位面積的總輻射能為該表面的有效輻射。包括了自身的發(fā)射輻射E和反射輻射G。G為投射輻射。有效輻射示意圖 284.1 角系數(shù)的概念：有兩個表面，編號為1和2，其間充滿透明介質(zhì)，則表面1對表面2的角系數(shù)F12是：表面1直接投射到表面2上的能量，占表面1輻射能量的百分比。即同理，也可以定義表面2對表面1的角系數(shù)。角系數(shù)的應(yīng)用是有一定限

14、制條件的，即漫射面、等溫、物性均勻iiijijAJQF 4 角系數(shù)角系數(shù)設(shè)有溫度分別為Ti 、Tj的表面Ai、Aj，均為漫反射表面，處于任意空間；dAi、dAj分別是其上的微元表面，ni ,nj分別是兩個微元面的法線方向，兩表面間的距離為r。cosdQIddAijijjjiJIrdAd,2;cos且根據(jù)輻射強度的定義式： 又根據(jù)立體角的定義： jiiijiijddAIdQcos,所以： jiA AjiiiiijiAijiiiiiijiiijijdAdArJAJdAdIAJAJdQAJQFiji2,coscos1cos1jid同理： jiA AjiiijdAdArAFij2coscos1ijA

15、AjijjidAdArAFij2coscos1所以： jijijiFAFA31角系數(shù)的五個性質(zhì)。(1) 相對性（2自見性 指一個物體表面向外輻射的能量，到達(dá)自身表面，或者說被自身表面攔截的百分?jǐn)?shù) jijijiFAFA對于平面和凸面： 0i iF對于凹面： 0iiF4.2 角系數(shù)性質(zhì)角系數(shù)性質(zhì)32角系數(shù)的完整性角系數(shù)的完整性對于有n個表面組成的封閉系統(tǒng)，據(jù)能量守恒可得:iNiiiiiQQQQQ21121iiNiiiiiiiQQQQQQQQNjiNiiiiijFFFFF1211(3) 完整性33（4兼顧性在任意兩物體1、3之間設(shè)置一透熱體2，當(dāng)不考慮路程對輻射能的影響時，有： 1312FF物體1到

16、2、3的輻射能相同 34424323121FAFAFA（5分解性當(dāng)兩個表面A1和A2之間輻射換熱時，如單獨把A1分解成A3和A4 ，單獨把A2分解成A5和A6 ，有：161151121FAFAFA355 兩個灰體之間的輻射換熱兩個灰體之間的輻射換熱5.1 輻射換熱熱阻組成輻射網(wǎng)絡(luò)的基本熱阻（1表面輻射熱阻從外部看，向外界發(fā)出的輻射能為有效輻射 GAEAQ從內(nèi)部看，物體表面輻射出去的凈熱量為 GEGEJ1由上兩式可得有效輻射J： 11EQJA表面輻射的凈熱量Q： 1JAEAQbEE由于： 所以有： bbE AJAEQAJ11表面輻射熱阻365.1 輻射換熱熱阻輻射換熱熱阻（2空間輻射熱阻 物體表

17、面1輻射到表面2的輻射能為121112FAJQ物體表面2輻射到表面1的輻射能為 212221FAJQ凈輻射傳熱量為 21221211211212,FAJFAJQQQnetA FAJJJJF121211222111空間輻射熱阻 37下面來分析兩個等溫漫灰表面封閉系統(tǒng)內(nèi)的輻射換熱情況。如下圖，兩個表面的凈換熱量為,QA J FA J F1 2111 2222 15.2 被透明介質(zhì)隔開的兩固體表面間的輻射換熱被透明介質(zhì)隔開的兩固體表面間的輻射換熱表面1發(fā)出的熱輻射到達(dá)表面2的部分表面2發(fā)出的熱輻射到達(dá)表面1的部分灰體表面灰體表面38于是有,bbEEQAA FA121 2121111 222111,(

18、)A FTTQFF4411 2121 21 22 11211111根據(jù)前面導(dǎo)出的熱阻，有：2121FA39（1） ,FF111201111221112112,AAAEEQbbnet有：（2） 0/21AA即A2無限大有：,bbQEEA1 21121（3） 1/21AA有：1112112112,AEEQbbnet405.2 被透明介質(zhì)隔開的兩固體表面間的輻射換熱被透明介質(zhì)隔開的兩固體表面間的輻射換熱,()bbbbQA E FA EFA FEE1 2111 2222 111 212黑體系統(tǒng)的輻射換熱黑體表面黑體表面 如下圖，黑體表面如下圖，黑體表面1和和2之間的輻射換熱量為之間的輻射換熱量為表面1

19、發(fā)出的 熱 輻 射到達(dá)表面2的部分表面2發(fā)出的 熱 輻 射到達(dá)表面1的部分41例：兩無限長套管，內(nèi)管和外管的溫度分別是527和27，輻射率均為0.8，內(nèi)管以熱輻射形式傳給外管的熱量是1060W/m，內(nèi)管直徑是20mm，求：外管直徑為多少？ 解：內(nèi)管向外管的輻射面積 ldA11外管向內(nèi)管的輻射面積 ldA22,FF111201,bbnetTTAEEAQAAAA441211211211122122111111可以應(yīng)用公式： ) 11(1) 11(1)(22111424122111424112,12,dddTTdddTTlQqnetlnet42知 ,/netlqw m121060mmd02. 018

20、 . 021KT8002735271KT300273272 ) 18 . 01(02. 08 . 0102. 014. 33008001067. 510602448d代入上式： 解得：d20.051m=51mm 43bJJEJJJA FAA F2111311113111121011bEJJJA FAJJA F2212322112222230111bJJEJJJA FAA F1333233223331131011節(jié)點1節(jié)點2節(jié)點3netQ12netQ23netQ13利用角系數(shù)的完整性、互換性和自見性可以求解方程。5.3 多表面系統(tǒng)輻射換熱的計算多表面系統(tǒng)輻射換熱的計算44留意： ( 1)節(jié)點的概

21、念；(2)每個表面一個表面熱阻，每對表面一個空間熱阻；(3)以及畫電路圖的一些基本知識（1表面3為黑體的封閉體系 J3=Eb3（2有一個表面絕熱的封閉體系2221221111211112112,111111AFAFAFAAEEQRRbbnet5.3 多表面系統(tǒng)輻射換熱的計算多表面系統(tǒng)輻射換熱的計算45A 畫等效熱阻圖；B 列出各節(jié)點的熱流方程組；C 求解方程組，以獲得各個節(jié)點的等效輻射；D 利用公式 算每個表面的凈輻射熱流量。biiiiiiEJQA1總結(jié)上面過程，可以得到應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)法的基本步驟如下：5.3 多表面系統(tǒng)輻射換熱的計算多表面系統(tǒng)輻射換熱的計算46例：一烘干漆的爐子截面為三角形(如下圖)，一表面為1200K，另一表面是絕熱