材料科学基础(热工设备)

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1、第三章 传热学,第一节 概述 第二节 热传导 第三节 对流传热 第四节 热辐射 第五节 传热过程与换热器,2020/9/27,1,第三章 传热学,第四节 热辐射,2020/9/27,2,第三章 传热学 第四节 热辐射,4.1 热辐射的基本概念 4.2 黑体辐射的基本定律 4.3 实际固体和液体的辐射特性 4.4 实际固体的吸收比和基尔霍夫定律 4.5 角系数的定义、性质及计算 4.6 两固体表面间的辐射换热 4.7 辐射换热的强化与削弱 4.8 气体辐射,2020/9/27,3,4.1 热辐射的基本概念,.定义： 辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。 热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向

2、外发射能量懂的过程。 .特点 a 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；,2020/9/27,4,4.1 热辐射的基本概念,2020/9/27,5,4.1 热辐射的基本概念,.特点 b不需要介质，可以在真空中传播； c 伴随能量形式的转变 d 具有强烈的方向性 e 辐射能与温度和波长均有关；,2020/9/27,6,3. 物体对热辐射的吸收、反射和穿透,吸收率absorptivity,透过率transmissivity,反射率reflectivity,4.1 热辐射的基本概念,2020/9/27,7,对于大多数的固体和液体： 对于不含颗粒的气体： 对于黑体： 镜体或白体：

3、 透明体：,4.1 热辐射的基本概念,2020/9/27,8,反射又分镜反射和漫反射两种,镜反射,4.1 热辐射的基本概念,2020/9/27,9,4.透热体、白体与黑体 黑体：能全部吸收辐射能的物体 =1； 白体：能全部反射辐射能的物体 =1； 透热体：能全部透过辐射能的物体 =1； 灰体：能以相同的吸收率，吸收全部波长辐射能的物体。 工业上，多数物体都可近似视为灰体,4.1 热辐射的基本概念,2020/9/27,10,1.黑体概念 黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。,黑体模型,4.2 黑体辐射的基

4、本定律,2020/9/27,11,（）辐射力E (W/m2) ： 单位时间内，物体单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。,2.热辐射能量的表示方法,4.2 黑体辐射的基本定律,2020/9/27,12,（）单色辐射力E (W/m3) ：,单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长)，物体单位表面积向半球空间发射的能量。,4.2 黑体辐射的基本定律,2020/9/27,13,E、E关系:,黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的单色辐射力为Eb,4.2 黑体辐射的基本定律,2020/9/27,14,微元立体角,（）方向辐射力E(W/m2Sr) ：,方向辐射力是定义来描述物体

5、表面辐射能量在半球空间中的分布特征，其定义为单位时间单位辐射面积向半球空间中某一个方向上单位立体角内辐射的所有波长的辐射能量。,4.2 黑体辐射的基本定律,2020/9/27,15,球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)。,立体角定义：,4.2 黑体辐射的基本定律,2020/9/27,16,定义：单位时间内，物体在垂直发射方向单位面积上，在单位立体角 内发射的一切波长的能量。,（）定向辐射强度 ：,4.2 黑体辐射的基本定律,2020/9/27,17,3.黑体辐射的基本定律及相关性质 (1)斯蒂芬stefan波尔兹曼Boltzmann定律 Eb绝对黑体辐射力，W/m2；T 黑

6、体的热力学温度 K， 玻耳兹曼常数（黑体辐射常数），其值为5.6710-8 W/m2.k4。,4.2 黑体辐射的基本定律,2020/9/27,18,3.黑体辐射的基本定律及相关性质 (1)斯蒂芬stefan波尔兹曼Boltzmann定律 Cb为黑体的辐射系数，其数值为5.669 W/m2.K4 黑体的辐射能力与热力学温度的四次方成正比四次方定律,4.2 黑体辐射的基本定律,2020/9/27,19,3.黑体辐射的基本定律及相关性质 (1)斯蒂芬stefan波尔兹曼Boltzmann定律 黑度：同一温度下，实际物体与黑体的辐射能力之比。只与物体本身的情况有关，与外界的情况无关，实验测定。,4.2

7、 黑体辐射的基本定律,2020/9/27,20,式中， 波长，m ； T 黑体温度，K ； c1 第一辐射常数，3.74210-16 Wm2； c2 第二辐射常数，1.438810-2 K；,(2)Planck定律(第一个定律)： 黑体单色辐射力,3.黑体辐射的基本定律及相关性质,4.2 黑体辐射的基本定律,2020/9/27,21,Planck 定律的图示,4.2 黑体辐射的基本定律,2020/9/27,22,（3）Wien位移定律(第二个定律),反映出黑体温度越高其单色辐射力最大值所对应的波长越短的黑体辐射特征，也就是黑体温度越高能量分布就越向波长短方向集中的特征。,4.2 黑体辐射的基本

8、定律,2020/9/27,23,(4)Stefan-Boltzmann定律(第三个定律)：,式中，= 5.6710-8 w/(m2K4)， 是Stefan-Boltzmann常数。,4.2 黑体辐射的基本定律,2020/9/27,24,黑体辐射函数：,反映黑体在波长1和2区段内所发射的辐射力,特定波长区段内的黑体辐射力,4.2 黑体辐射的基本定律,2020/9/27,25,(5) Lambert 定律(第四个基本定律),Lambert定律也称为余弦定律。,4.2 黑体辐射的基本定律,例题p173 ex3.6,2020/9/27,26,1.辐射率 黑体的辐射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能力最

9、强，包括所有方向和所有波长； 真实物体表面的辐射能力低于同温度下的黑体； 辐射率 (也称为黑度) ： 相同温度下，实际物体的半球 总辐射力与黑体半球总辐射力之比:,4.3实际固体和液体的辐射特性,2020/9/27,27,灰体 单色发射能力 E：W/m2 指：一定温度下，单位时间，单位面积上，物体发射的某一波长的总能量。 黑体的发射能力 Eb： 灰体对任何波长 ：,4.3实际固体和液体的辐射特性,2020/9/27,28,.实际物体的辐射与黑度 随方向和光谱变化,实际物体的辐射力 与黑体辐射力之比:,4.3实际固体和液体的辐射特性,2020/9/27,29,实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射

10、力之比：,实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：,该值为常数时，为漫发射,4.3实际固体和液体的辐射特性,2020/9/27,30,实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱,灰体,4.3实际固体和液体的辐射特性,2020/9/27,31,Semi-transparent medium,当外界的辐射投入到物体表面上时，该物体对投入辐射吸收的情况又是如何呢？,4.3实际固体和液体的辐射特性,2020/9/27,32,1. 投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能 2. 选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变化，这叫选择性吸收,4.

11、4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律,2020/9/27,33,3. 吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用表示，即,4. 光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。,4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律,2020/9/27,34,金属导电体的光谱吸收比同波长的关系,4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律,2020/9/27,35,非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系,4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律,2020/9/27,36,灰体,灰体是指物体单色辐射力与同温度黑体单色辐射力随波长的变化曲线相似，或它的单

12、色发射率不随波长变化的物体；光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时，不管投入辐射的分布如何，吸收比 都是同一个常数。,4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律,2020/9/27,37,物体的吸收比除与自身表面性质的温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标1、2分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体1的吸收比为,4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律,2020/9/27,38,4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律,如果投入辐射来自黑体，由于 上式变为：,2020/9/27,39,物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系,4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律,2020/9/27,

13、40,灰体法，即将光谱吸收比 () 等效为常数，即 = () = const。并将()与波长无关的物体称为灰体，与黑体类似，它也是一种理想物体，但对于大部分工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可以容忍的； 谱带模型法，即将所关心的连续分布的谱带区域划分为若干小区域，每个小区域被称为一个谱带，在每个谱带内应用灰体假设。,4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律,2020/9/27,41,投入辐射与吸收辐射二者之间的联系：,板1时黑体，板2是任意物体，参数分别为Eb, T1 以及E, , T2，则当系统处于热平衡时，有,4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律,2020/9/27,42,4.4实际固体的吸收

14、比和基尔霍夫定律,.Kirchhoff 定律,2020/9/27,43,4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律,.Kirchhoff 定律,2020/9/27,44,表明物体在某温度下的辐射力与其对同温度黑体辐射的吸收率之比恒等于该温度下黑体的辐射力。故吸收率高的物体其辐射能力也就越强，黑体的吸收率最大，因而辐射能量就最强。,4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律,.Kirchhoff 定律,2020/9/27,45,定律的限制： 整个系统处于热平衡状态； 如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者只有处于同一温度下的值才能相等； 投射辐射源必须是同温度下的黑体。,4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定

15、律,.Kirchhoff 定律,2020/9/27,46,Kirchhoff 定律在实际工程应用中采用不同层次上的表达式。,Kirchhoff 定律的不同表达式,4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律,2020/9/27,47,注： 漫射表面：指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合Lambert定律的物体表面； 灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。,4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律,.Kirchhoff 定律,2020/9/27,48,表面相对位置的影响,两个表面之间的辐射换热量与两个表面之间的相对位置有很大关系,4

16、.5 角系数的定义、性质及计算,2020/9/27,49,角系数是进行辐射换热计算时空间热组的主要组成部分。 定义：把表面1发出的辐射能中落到表面2上的百分数称为表面1对表面2的角系数，记为X1,2。同理，表面2发出的辐射能中落到表面1上的百分数称为表面2对表面1的角系数，记为X2,1,4.5.1 角系数的定义,4.5 角系数的定义、性质及计算,2020/9/27,50,4.5.2 角系数的性质,研究角系数的性质是用代数法（代数分析法） 求解角系数的前提： 假定：（1）所研究的表面是漫射的 （2）在所研究表面的不同地点上向 外发射的辐射热流密度是均匀的,4.5 角系数的定义、性质及计算,2020/9/27,51,两微元面间的辐射,4.5 角系数的定义、性质及计算,2020/9/27,52,1、角系数的相对（互换性）,一个微元表面到另一个微元表面的角系数,4.5 角系数的定义、性质及计算,2020/9/27,53,(2),(3),两微元表面