第11章辐射换热.ppt

工程热力学与传热学,传热学 第十一章 辐射换热,第十一章 辐射换热,内容要求 掌握热辐射的基本概念； 掌握黑体，黑体辐射的基本定律； 实际物体的辐射特性，基尔霍夫定律； 重点掌握角系数，辐射换热的计算方法 （黑体表面间，漫灰表面间的辐射换热）； 重点掌握遮热板原理。,热辐射： 物体由于受热而向外发射辐射能的现象。,热辐射的波长范围,111 热辐射的基本概念,理论上 ：0 整个波谱； 日常生活, 工业上常见的温度范围内 ：0.1 100 µm， 包括部分紫外线，可见光，部分红外线； 工业上常见温度范围T2000K时： ：0.76 10 µm,辐射换热（Radiation heat transfer）,发射，吸收 辐射能,两物体温度不同时，高温物体失去热量； 两物体温度相同时，辐射换热量为零。,11-1-1 吸收，反射和透过,投入辐射G： 单位时间投射到单位面积物体表面上 全部波长范围内的辐射能。W/2,根据能量守恒：,或：,1 吸收比，反射比和透过比,吸收比(Absorptivity) 反射比(Reflectivity) 透过比(Tranmissivity),某一波长的投入辐射G：,光谱吸收比(Absorptivity) 光谱反射比(Reflectivity) 光谱透过比(Tranmissivity),2 不同物体表面的辐射特性,热辐射投射到固体，液体表面上：,两种反射现象： 镜反射 (Specular reflection) 漫反射 (Diffuse reflection),热辐射投射到气体表面上：,容积性,表面性,11-1-2 黑体，镜体和绝对透明体,绝对黑体（黑体）：,镜体（白体）：,绝对透明体：,白雪 ： （接近黑体）； 白布，黑布吸收比基本相同； 玻璃可透过可见光，对红外线几乎不透过。,例如,112 黑体辐射的基本定律,普朗特定律，维恩位移定律， 斯忒藩-波耳兹曼定律，兰贝特定律。,11-2-1 普朗特定律,1. 辐射力和光谱辐射力,辐射力 (Emissive power) 单位时间单位面积物体表面向半球空间的所 有方向发射全部波长范围的辐射能的总量，称为 该物体表面的辐射力。E，W/m2,光谱辐射力 (Emissive power) 单位时间单位面积物体表面向半球空间的 所有方向发射波长到+d范围的辐射能， 称为该物体表面的辐射力。E，W/m3,对黑体辐射：,不同温度下黑体的光谱辐射力随波长的变化：,T一定时，,一定时，,2. 普朗特定律,1900年，普朗特确定黑体辐射的光谱分布规律。,11-2-2 维恩位移定律,光谱辐射力为 Eb,max时，和 T 之间的关系。,可得:,并且:,随T的升高，Eb对应的波长向短波迁移。,解：由维恩位移公式：,说明,工业上一般高温范围（2000K以下）时， 与Eb,max对应的位于红外线区段； 温度近于太阳表面温度（5800K）时， 与Eb,max对应的位于可见光区段。,11-2-3 斯忒藩-波耳兹曼定律,1879年斯忒藩（实验）,1884年波耳兹曼（理论） 确定了黑体的 Eb与 T的关系。,式中: 黑体辐射常数,另一种形式:,式中: C0 黑体辐射系数,解：黑体表面温度为27时：,黑体表面温度为627时：,分析,波段内黑体辐射力：,实际问题：,引入辐射比,其中： 为黑体辐射函数（表11-1）,则波段内黑体辐射力：,11-2-4 兰贝特定律,1. 立体角,球面度,对整个半球：,对微元立体角：,2. 定向辐射强度（辐射强度） 物体单位时间单位可见辐射面积单位立体角 内发出的辐射能量。,对各向同性物体表面：,光谱辐射强度 ：,3. 定向辐射力 单位时间单位面积物体表面向某个方向发射 单位立体角内的辐射能, 称为该物体表面在该 方向上的定向辐射力。E，W/(m2.sr),4. 兰贝特定律,黑体的定向辐射强度与方向无关， 即半球空间各方向上的辐射强度都相等。,即是：,定向辐射力与定向辐射强度的关系：,辐射力与定向辐射强度的关系：,适用于：黑体 漫发射体,113 实际物体的辐射特性 基尔霍夫定律,11-3-1 实际物体的发射特性,实际物体的发射特性和吸收特性。,1. 物体的发射率（黑度）,实际物体的辐射力：,因此：,2. 物体的光谱发射率（光谱黑度）,3. 影响发射率的因素,物体的种类； 物体的表面温度； 物体的表面状况。,只取决于物体自身特性,实验测定,例如,种类： 常温下，白色大理石0.95， 镀锌铁皮0.23； 温度： 氧化的铝表面50，=0.2， 500，=0.3； 表面状况： 无光泽黄铜0.22，磨光黄铜0.05； 非金属材料较高0.850.95， 且与表面颜色无关。,11-3-2 实际物体的吸收特性,1. 物体的吸收率： 物体对投入辐射所吸收的百分数。,吸收率取决于两方面因素：,物体的种类，温度和表面性质,2. 物体的光谱吸收率： 物体对某一特定波长的辐射能吸收的百分数。,实际物体的光谱吸收率对波长具有选择性：,白瓷砖,温室效应,11-3-3 基尔霍夫定律,1. 灰体,说明,灰体和黑体一样，也是一种理想物体； 灰体的 与波长无关，只取决于本身特性， 与外界投射辐射无关； 就发射和吸收的规律而言，灰体和黑体完全相同， 在数量上体现了百分比关系。,大多数工程材料 可作灰体处理。,2 基尔霍夫定律,1860年，基尔霍夫揭示了物体吸收辐射能的 能力和发射辐射能的能力之间的关系。,结论,同一温度下，吸收辐射能力愈强的物体， 发射辐射能的能力也愈强。,对于灰体：,同一温度下，黑体的辐射能力最强。,不适于太阳辐射的吸收。,114 辐射换热的计算方法,假设,进行辐射换热的物体表面之间是 不参与辐射换热的介质或真空； 参与辐射换热的物体表面为漫射灰体 或黑体表面； 每个物体的温度，辐射特性及 投入辐射分布均匀。,11-4-1 角系数,1. 角系数的定义,表面1对表面2的角系数：,表面2对表面1的角系数：,或：,几何量,2. 角系数的性质,非自见面的角系数等于0。,角系数的相对性,角系数的完整性,封闭空腔中：,或：,角系数的可加性,组合面A（1+2）对面A3的辐射角系数。,即是：,又由角系数的相对性：,因此：,3. 角系数的计算,两面封闭系统,解：根据角系数的完整性：,又由角系数的相对性：,A3,三个非凹表面组成封闭系统,交叉线法,辅助线,解：封闭空腔 abcd 中 :,封闭空腔 abc ，abd中 :,因此：,11-4-2 黑体表面间的辐射换热,1. 任意位置的两黑体表面。,两黑体表面间的净辐射换热量：,或：,2. 多个黑体组成的封闭空腔。,表面1对其它表面的辐射换热：,或：,第i个黑体表面的辐射换热量：,11-4-3 漫灰表面间的辐射换热,1. 有效辐射,设有一漫灰表面A，=。,与表面A 有关的能量有：,投入辐射 G,吸收辐射G,反射辐射G,自身辐射（辐射力）E =Eb,有效辐射 J,或：,合成辐射（净辐射热流）,或：,两式联立，消去G，且=。,对黑体表面：,得：,2. 两漫灰表面间的辐射换热,两漫灰表面构成封闭空腔，且T1T2：,分析,因此 A1 和 A2 的净辐射热量：,即是：,A3,同时,A1 的净辐射热量：,A2 的净辐射热量：,换热系统热平衡时：,将(a),(b),(c)相加，消去J1，J2得：,A3,或：,两漫灰表面间的辐射换热网络图,系统黑度：,两漫灰表面间辐射换热的几种简化形式：,A1面为非自见面：,由：,得：,两个无限大平板间辐射换热：,由：,得：,两表面相差很大（大房间内小物体的辐射换热）,得：,由,3. 多个漫灰表面构成的封闭空腔中的辐射换热,辐射换热网络求解法： 应用有效辐射的概念，将辐射换热系统 模拟成相应的电路系统，借助于电学中克希 荷夫电流定律求解该系统的辐射换热问题。,三个漫灰表面构成的封闭空腔中的辐射换热,首先绘制辐射网络图：,然后列出各节点有效辐射的关系式 （注入每个节点的热流之和为零）：,节点J1：,节点J2：,节点J3：,根据已知条件，求解未知量。,已知三个表面温度T1, T2, T3；以及 A1, A2, A3, 1, 2, 3, X1,2, X1,3, X2,3。,确定每个表面的有效辐射J1, J2, J3和 净辐射热量1, 2, 3。,例如,具有重辐射面的封闭空腔中的辐射换热：,重辐射面：辐射绝热面，净辐射热流为0。,115 遮热板原理,如何削弱物体表面 之间的辐射换热：,采用反射率高的表面； 采用遮热板。,遮热板的作用：,在整个辐射换热中净辐射换热量为0。 即遮热板即不向原系统放出热量，也不从中 吸收热量，只是在热流通路中增大了原系统 的热阻，使换热表面之间的辐射换热受到阻碍。,举例,两个大平板A1, A2, 温度T1, T2, 发射率1,2。 中间放置遮热板T3 (T3 =T3) ,3 = 3,分析：无，有遮热板时辐射换热量的变化。,无遮热板时：,有遮热板时：,简化考虑：,可求：,且：,结论,加1块发射率与平板相同的遮热板后，,因此，加n块发射率与平板相同的遮热板后，,工程中选用反射率高，发射率小的材料 做遮热板 。,遮热板的辐射网络图,例 题,两平行大平板间的辐射换热，平板的黑度 分别为0.5，0.8。如果中间加进一块铝箔的 遮热板，其黑度为0.05。 试计算辐射换热量减少的百分率。,