傳熱與傳質(zhì)第五章課件

第五章輻射換熱

5-1熱輻射的基本概念

熱輻射的本質(zhì)和特點(diǎn)Ⅰ.本質(zhì)由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁波輻射，即物體轉(zhuǎn)化本身的熱能向外發(fā)射輻射能，其波長(zhǎng)位于0.38～100μm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(dāng)T>0K時(shí)就能進(jìn)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

Ⅱ.特點(diǎn)

吸收率

反射率穿透率

對(duì)于固體、液體：

對(duì)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Ⅰ.黑體的模型黑體能夠全部吸收各種波長(zhǎng)的輻射能，=1

Ⅱ.黑體的輻射

輻射力E：物體在單位時(shí)間內(nèi)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(zhǎng)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)

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(duì)溫度關(guān)系的定律將（5-3）式代入（5-2）式，在=0～∞范圍內(nèi)進(jìn)行積分:

（5-5）

黑體輻射常數(shù)蘭貝特定律

Ⅰ.定向輻射強(qiáng)度I：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)物體單位可見面積向方向在單位立體角內(nèi)所輻射的能量

Ⅱ.定向輻射力E

：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)物體單位面積向方向在單位立體角內(nèi)所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的能量

5-2熱輻射的基本定律

蘭貝特定律Ⅲ.蘭貝特定律表達(dá)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(guān)系任何物體的輻射力與它對(duì)來(lái)自同溫度黑體輻射的吸收率的比值，與物性無(wú)關(guān)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(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)，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Ⅰ.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(shí)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(guān)，即僅決定于物體本身的條件。

Ⅱ.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(zhǎng)無(wú)關(guān)，即：

（2）由基爾霍夫定律可推出：

在高溫下（T≤2000K），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(nèi)隨的變化不大，因而可視為灰體。

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(shì)差

---空間輻射熱阻，僅與幾何因素有關(guān)

（5-14）

角系數(shù)的性質(zhì)及確定

Ⅰ.性質(zhì)（1）相對(duì)性（互換性):揭示角系數(shù)間的相互聯(lián)系和制約關(guān)系第五章輻射換熱

5-5灰體間的輻射換熱

有效輻射

（5-17）

對(duì)于黑體：

Ⅰ.投入輻射G：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射到表面單位面積上的總輻射能。Ⅱ.本身輻射E：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)表面單位面積向外界發(fā)射的總輻射能。Ⅲ.有效輻射J：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)離開表面單位面積的總輻射能。

5-5灰體間的輻射換熱

灰體間的輻射換熱（封閉體系）Ⅰ.兩個(gè)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(nèi)物體與空腔內(nèi)壁的輻射換熱

（5-21）

（5-22）

（5-23）

（2）表面積A1和A2相差甚?。?）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）Ⅱ.多個(gè)灰體間的輻射換熱（網(wǎng)絡(luò)解法）（1）應(yīng)用電路分析原理求解：串、并聯(lián)分析（2）電學(xué)基爾霍夫定律來(lái)求解，即沿各個(gè)方向流入節(jié)點(diǎn)的電流（熱流）的總和為零節(jié)點(diǎn)2：節(jié)點(diǎn)3：聯(lián)立三式可求出J1、J2、J3各輻射換熱量節(jié)點(diǎn)1：

5-5灰體間的輻射換熱

灰體間的輻射換熱（封閉體系）Ⅲ.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(wú)關(guān)，整個(gè)系統(tǒng)的輻射換熱也與重輻射面的溫度和輻射特性無(wú)關(guān)，而僅與其幾何特性有關(guān)。溫度來(lái)看，可視為黑體處理能量來(lái)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）Ⅲ.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(gè)表面所決定。J3=Eb3是一個(gè)浮動(dòng)的電勢(shì)，取決于J1及J2其間的兩個(gè)空間輻射熱阻。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(diǎn)Ⅰ.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(jié)構(gòu)對(duì)稱的雙原子氣體以及純凈的空氣可視為透明體，τ=1；

非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的雙原子氣體或多原子氣體以及所有的有機(jī)氣體都具有輻射和吸收的本領(lǐng)。Ⅱ.氣體輻射和吸收對(duì)波長(zhǎng)具有選擇性Ⅲ.氣體的輻射和吸收在整個(gè)容積中進(jìn)行，氣體的穿透率按指數(shù)規(guī)律衰減Ⅳ.氣體的反射率為零，=0,+τ=1第五章輻射換熱

5-7對(duì)流與輻射共同存在時(shí)的熱量傳輸綜合換熱（復(fù)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(duì)流與輻射組成的綜合換熱---系統(tǒng)黑度---輻射換熱系數(shù)

---復(fù)合換熱系數(shù)、總換熱系數(shù)

5-7對(duì)流與輻射共同存在時(shí)的熱量傳輸輻射與導(dǎo)熱組成的