第8章热辐射1.ppt
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1、传 热 学,(Heat Transfer) 授课教师:邓元望,第8章 热辐射与辐射传热的计算,本章内容: 介绍热辐射的基本概念,多个理想物体,黑体热辐射的几个基本定律 (斯忒藩-玻耳兹曼定律、普朗克定律、兰贝特定律、维恩位移定律)及黑 体辐射函数表的应用; 实际物体的发射与吸收以及联系物体发射率与吸收比的基尔霍夫定律。 在辐射传热的计算中介绍了角系数的定义、性质及计算方法,有效辐射 和漫射灰表面间的辐射传热计算,辐射热阻的单元网络, 分析了辐射传热的强化与削弱方法及遮热板的原理及应用。,8.1 热辐射的基本概念,8.1.1 电磁波的波谱和热辐射的特点,辐射是电磁波传递能量的现象。 由于热的原因
2、而产生的电磁波辐射称为热辐射。 热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的。 任何物体,只要温度高于0 K,就会不停地向周围空间发出热辐射;伴随能量形式的转变。 辐射传热就是指物体之间相互辐射和吸收的总效果。,各种电磁波都以光速在空间传播,这是电磁辐射的共性,热辐射也不 例外。 电磁波的速率、波长和频率存在如下关系: 式中:c 电磁波的传播速率,在真空中 ,在大气中的传播 速率略低; f 电磁波的频率,s-1; 波长,单位为m,常用单位为m(微米),1m = 10-6m。,电磁波的波谱 电磁辐射包含了多种形式,如图8-1所示,电磁波的波长包括从零到无穷大的范围。,图8-1 电
3、磁波的波谱,从理论上说,物体热辐射的波长可以包括整个波谱,即波长从零到无穷大。 在工业上所遇到的温度范围内,即2000K以下,有实际意义的热辐射波长位于 之间,且大部分能量位于红外线区段 的范围内, 在可见光区段,即波长 的区段,热辐射的比重不大。 太阳辐射的主要能量集中在 的波长范围,其中可见光区段占了很大比重。 如果把太阳辐射包括在内,热辐射的波长区段可放宽为 。,举例: 近红外线 远红外线 微波,8.1.2 物体表面对热辐射的作用 1. 吸收比、反射比和穿透比: 当热辐射投射到物体表面上时,一般会发生三种现象,即吸收、反射 和穿透,如图8-2所示。,或,图8-2 物体对热辐射的吸收、反射
4、和穿透,能量百分数 、 和 分别称为该物体对投入辐射的吸收比、反射比和穿透比:,对于大多数的固体和液体:,反射又分镜面反射和漫反射两种,气体对辐射能几乎没有反射能力:,2. 固体表面的两种反射,图8-3 镜面反射,图8-4 漫反射,3. 理想物体透明体、白体和镜体、黑体 不同物体的热辐射差别很大,热辐射的计算很困难。为使问题简化,定义一些理想物体。 1) 透明体: 穿透比 = 1的物体。 完全的透明体是不存在的,在一定条件下,玻璃材料对于可见光、对于红外线,可视为透明体。,2)白体和镜体: 反射比 = 1的物体称为白体(具有漫反射的表面)或镜体(具有镜反 射的表面)。 镜反射:反射角等于入射角
5、。 漫反射:被反射的反射能在物体表面上方空间各个方向上均匀分布。 物体表面对热辐射的反射情况取决于物体表面粗糙程度和投入辐射能的 波长。 漫反射的自身辐射也是漫发射的,而镜反射的自身辐射也是镜发射的。 绝大多数工程材料在工业温度范围(小于2000K)内对热辐射的反射近 似于漫反射。,3)黑体: 当吸收比 = 1时,所有投入辐射能量全部被物体吸收,称为绝对黑体 (简称黑体)。 黑体将所有投射到它表面上的一切波长( = 0m)和所有方向 上的辐射能全部吸收。 在所有物体中,黑体吸收热辐射的能力最强。 黑体用来作为比较实际物体发射辐射能的标准。 黑体是一种理想物体,在自然界中是不存在的。 人工黑体的
6、模型。,图8-4 黑体模型,8.2 黑体辐射的基本定律,8.2.1 辐射力和辐射强度 1)辐射力E 单位时间内单位辐射面积向其上半球空间所有方向发射出去的全部波长 范围内的辐射总能量称为辐射力,单位为W/m2。,图8-5 半球空间图示,2)光谱辐射力E 单位时间内物体单位辐射面积向其上半球空间所有方向发射出去的 在包含波长在内的单位波长内的能量称为光谱辐射力(单色辐射 力),单位为W/(m2m)。 表征了物体某一波长辐射能力的大小,用来描述辐射能量随波长的 分布特征。 在热辐射的整个波谱内,不同波长发射出的辐射能是不同的。,(8-5),3)定向辐射强度 立体角的概念,图8-6 微元立体角与半球
7、空间几何参数的关系,(8-6),(8-7),定向辐射强度:单位时间内物体单位辐射面积向半球空间方向上单位 立体角内辐射的所有波长的辐射能量,用符号I表示,单位是W/(m2Sr)。 辐射强度表示空间中任意位置(点)的辐射能的强度(能量密度)。 注意:辐射力是以发射物体的单位面积作为计算依据,而辐射强度是以 垂直于发射方向的单位投影面积作为计算依据。,图8-10 可见面积示意图,8-8(a),8-8(b),8.2.2 斯忒藩-玻耳兹曼定律,黑体的辐射力与热力学温度(K)的关系: 式中,称为黑体辐射常数,其值为5.6710-8W/(m2K4);C0称为黑体 辐射系数,其值为5.67 W/(m2K4)
8、,下角码b表示黑体。 斯忒藩-玻耳兹曼定律说明黑体的辐射力Eb与热力学温度T的四次方 成正比,故又称为四次方定律。四次方定律表明,随着温度的上升,辐 射力激剧增加。,(8-9),8.2.3 普朗克定律和维恩位移定律,黑体的光谱辐射力Eb与热力学温度T、波长之间的函数关系,称之为 普朗克定律: 式中,Eb 黑体的光谱辐射力,W/m3; 波长,m; T 黑体热力学温度,K; C1 普朗克第一常数,C1= 3.741910-16 Wm2 ; C2 普朗克第二常数, C2 = 1.438810-2 mK。,(8-10),图8-8 黑体的光谱辐射力,不同温度下黑体的光谱辐射力随波长的变化如图8-8所示。
9、,可以看出,黑体的光谱辐射力随波长和温度的变化具有下述特点: (1) 温度愈高,同一波长下的光谱辐射力愈大; (2) 一定的温度下,黑体的光谱辐射力随波长连续变化,并在某一波 长下具有最大值; (3) 随着温度的升高,光谱辐射力取得最大值的波长max愈来愈小, 即在坐标中的位置向短波方向移动。,在温度不变的情况下,由普朗克定律表达式求极值,可以确定黑体的光谱辐射力取得最大值的波长max与热力学温度T之间的关系为: 此关系式称为维恩(Wien)位移定律。,(8-11),根据维恩位移定律,可以确定任一温度下黑体的光谱辐射力取得最大 值的波长。 加热炉中铁块升温过程中颜色的变化也能体现黑体辐射的特点
10、: 当铁块的温度低于800K时,所发射的热辐射主要是红外线,人的眼睛 感受不到,看起来还是暗黑色的,随着温度的升高,铁块的颜色逐渐变为 暗红色、鲜红色、橘黄色、亮白色,这是由于随着温度的升高,铁块发射 的热辐射中可见光的比例逐渐增大的缘故。,普朗克定律与斯忒藩-玻耳兹曼定律的关系,图8-8,黑体辐射能按波段的分布,黑体从波长为零到某个值的辐射能:,这份能量在黑体辐射力中占的百分数:,图8-9 特定波长区段内的黑体辐射能,黑体辐射函数,(8-12),(8-13),8.2.4 兰贝特定律,定向辐射强度表达式 表明黑体的定向辐射强度是一个 常量,与空间方向无关,即半球空间各方向上的辐射强度都相等。这
11、种黑 体辐射强度所遵循的空间均匀分布规律称为兰贝特(Lambert)定律。 注意,定向辐射强度是以单位可见面积作为度量依据的,如果以单位 实际辐射面积为度量依据,则: 该式表明,黑体单位面积辐射出去的能量在空间不同方向的分布是不 均匀的,按空间纬度角的余弦规律变化:在垂直于该表面上的方向辐射 能量最大,而与该表面平行的方向上辐射能量为零,这就是兰贝特定律的 另一种表达方式,称为余弦定律。,对整个半球空间做积分,就得到从单位表面发射出去的落到整个半球 空间的能量,即黑体的辐射力: 因此,遵守兰贝特定律的辐射,数值上其辐射力等于定向辐射强度的 倍。,例题8-1 一个黑体,从27加热到827,求该表
12、面的辐射力增加了多少? 解 由式(8-9)有,其辐射力增加了约180倍,可见随着温度的增加,辐射将成为换热的主要方式。,例题8-2 一个边长为0.1m的正方形平板加热器,每一面的辐射功率为100W。如果将加热器看作黑体,试求加热器的温度和对应于加热器最大的光谱辐射力的波长。 解:设加热器的每一面的面积为A,由辐射力定义式及式(8-9)有,所以,,根据维恩定律,,例题8-3 试计算太阳辐射中可见光所占的比例。 解:太阳可认为是表面温度为T = 5762 K的黑体,可见光的波长范围是0.380.76m ,即1 = 0.38 m , 2 = 0.76 m , 于是,mK,mK,、,可见光所占的比例为
13、,从上述结果可以看出,太阳辐射中可见光所占的比例很大。,由黑体辐射函数表可查得,黑体辐射的规律小结: 黑体的辐射力由斯忒藩-玻耳兹曼定律确定,辐射力正比于热力学温度 的四次方; 黑体辐射能量按波长的分布服从普朗克定律,而按空间方向的分布服 从兰贝特定律; 黑体的光谱辐射力有个峰值,与此峰值相对应的波长max由维恩位移 定律确定,随着温度的升高,max向着波长短的方向移动。,8.3 实际物体和灰体的辐射,8.3.1 实际物体的辐射特性 1. 发射率(黑度): 实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比。发射率的大小反映 了物体发射辐射能的能力的大小。 2. 实际物体的辐射力:,(8-14),(8
14、-15),实际物体的光谱辐射力按波长分布的规律与普朗克定律不同,但定性上是一致的。图8-10 实例:金属在不同温度下呈现各种颜色,说明随着温度的升高,热辐射中可见光中短波比例在逐渐增加。 实验发现,实际物体的辐射力并不严格与热力学温度的四次方成正比。在工程计算中仍看成一切实际物体的辐射力与热力学温度的四次方是成正比的,而把由此引起的误差包括到实验方法确定的发射力中去。由于这个原因,辐射力还与温度有依变关系。,3. 实际物体的光谱发射力(光谱黑度):,(8-16),图8-10 光谱辐射力E随波长的变化,图8-11 光谱发射率随波长的变化,图8-12 定向发射率随方向角的变化,4. 定向发射率(定
15、向黑度): 实际物体在方向上的定向辐射力E与同温度下黑体在该方向的定向 辐射力Eb之比称为该物体在方向的定向发射率:,(8-18),图8-13 金属的定向发射率举例,a-潮湿的冰,b-木材,c-玻璃,d-纸,e-粘土,f-氧化铜,g-氧化铝,物体表面的发射率只取决于发射体本身(如:表面温度、粗糙度、氧 化和沾污程度、表面涂层),与外界条件无关。 一般而言,非金属材料的发射率高于金属,粗糙表面的发射率高于光 滑表面。 对于工程设计中遇到的绝大多数材料,都可以忽略随的变化,近 似地看作漫发射体。发射率通常由实验测定。,8.3.2 实际物体的吸收特性 1. 实际物体吸收特性 黑体:发射率为1,吸收比
16、也是1,发射率等于吸收比; 实际物体:发射率小于1,吸收比也小于1,不能完全吸收投射到其表 面 上的辐射能。 对波长的选择性:实际物体的光谱吸收比也与黑体、灰体不同,是 波长的函数。,应用实例: 太阳能温室的 “温室效应” 、焊接工人戴黑色的墨镜。 世上万物呈现不同的颜色,主要原因也在于选择性的吸收与辐射。 实际物体的吸收比不仅取决于物体本身材料的种类、温度及表面性 质,还和投入辐射的波长分布有关,因此和投入辐射能的发射体温度有关。,图8-15 一些金属材料的光谱吸收比,图8-16 一些非金属材料的光谱吸收比,2. 灰体 把光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。 = = 常数 灰体也是一种理想物
17、是为简化计算实际物体辐射传热计算而假想的物 体。 物体的吸收比只取决于它本身情况,而与外界情况无关。 工程上常见的温度范围(2000K)内的热辐射可以近似地当作灰体 处理,误差很小。,8.3.3 吸收比与发射率的关系 基尔霍夫定律,基尔霍夫定律揭示了物体吸收辐射能的能力与发射辐射能的能力之间 的关系。 1. 基尔霍夫定律的推导和结论 研究图8-20的两个表面的辐射传热。 两表面之间的辐射传热量为: 当系统处于热平衡时,Tb = T,q = 0,有 或,图8-20 两平板间的辐射传热,把这种关系推广到任意物体,可以写出如下的关系式: 8-20(a),根据发射率(黑度)定义式:,8-20(b),式
18、(8-20a)、(8-20b)就是基尔霍夫定律的两种数学表达式。 式(8-20a)表明物体在某温度下的辐射力与其对同温度黑体的吸收比之比恒等于该温度下黑体的辐射力, 而式(8-20b)表明物体对黑体投入辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率。,注意:基尔霍夫定律是在热平衡的条件下导出的,该结论只有在热平 衡条件下才成立。 吸收比高的物体其辐射能力也越强,即善于辐射的物体也善于吸收。 黑体的吸收比最大,因而辐射能力也最强。 在程辐射传热计算时,投入辐射既不是黑体辐射,也不会处于热平衡。 所以基尔霍夫定律对于物体间的辐射传热计算并不能带来方便。,2. 研究漫射灰体(大多数实际物体)的辐射 再来研究
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