《辐射换热幻灯片 (2)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《辐射换热幻灯片 (2)（68页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第11章 辐射换热,王连登13506970553,11-1 热辐射的基本概念,1. 热辐射特点(1) 定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；(2) 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；b 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；f 发射辐射取决于温度的4次方。,（3） 热辐射的本质,(A)辐射：物体以电磁波的方式向外传递热量的过程。,(B)辐射能：物体以电磁波的方式向外传递的能量。通常以辐射表示辐射能。,2. 电磁波谱,电磁辐射包含了多种形式，如图7-1所示，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的
2、热辐射区域一般为0.1100m。电磁波的传播速度： c = f 式中：f 频率，s-1; 波长，m,(C)热辐射：因热引起的电磁波辐射称为热辐射。它是由物体内部微观粒子在运动状态改变时所激发出来的。,(D)能量转换：内能辐射能辐射能内能 A物体（发射） B物体（吸收）,(E)辐射换热：是指物体之间相互辐射和吸收过程的总效果。当物体的温度处于平衡时，则它们之间辐射和吸收的能量相等，处于热的动平衡状态。,电 磁 辐 射 波 谱,图7-1,0.38100m,0.7620m,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11-2所示。,3. 物体对热辐射的吸收、反射和穿透,图
3、11.2物体对热辐射的吸收、反射和穿透,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：,透明体：,反射又分镜反射和漫反射两种,图11-3 镜反射,图11-4 漫反射,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。,图11-5 黑体模型,11-2 黑体辐射的基本定律,辐射力E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。 (W/m2)；它表征物体发射辐射能本领大小。光谱辐射力（单色辐射力）E：单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长)，物体的单位表面积向半球
4、空间发射的能量。 (W/m3)；,2.热辐射能量的表示方法,E、E关系:,显然， E和E之间具有如下关系：,黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的光谱辐射力为Eb,3.黑体辐射的基本定律及相关性质,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 WK；,(1)Planck定律(第一个定律)：,图11-6是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系。m与T 的关系由Wien位移定律给出，,图11-6 Planck 定律的图示,如：金属加热过程，表面颜色变化,例：试分别计算2000K和5
5、800K时黑体的最大单色辐射力所对应的波长。 解：直接利用维恩偏移定律； T =2000K时，maxT 2.9 10-3 mK max=2.9 10-3 /2000=1.45 m T=5800时 max=2.9 10-3 /5800=0.5 m T=290K: max=2.9 10-3 /290=10 m结果表明，工业高温范围内黑体辐射的最大单色辐射力对应的波长位于红外线区段，太阳表面温度时则位于可见光区段。 此外，还可利用该定律粗略估算物体的温度，如利用光学仪器测得太阳的max为0.5 m，,得出太阳的表面温度为5800K,因为太阳不是黑体，故此值偏高。 可据钢坯的颜色来判断其温度，钢坯在加
6、热过程中当： 无变化：低于500、 暗红：600左右、 鲜红：800-850左右、 桔黄：1000左右 白炽：1300左右,(2)Stefan-Boltzmann定律(第二个定律)：,式中，= 5.6710-8 w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常数。,(3)黑体辐射函数,黑体在波长1和2区段内所发射的辐射力，如图11-7所示：,图11-7 特定波长区段内的 黑体辐射力,Cb为黑体辐射系数5.67W/(m2K4),黑体辐射函数:,(4)Lambert 定律,讨论黑体发射的辐射能按空间方向的分布规律。,11-3 实际物体的辐射,实际物体(固体与液体)的辐射和吸收能力总是小于黑体
7、，而且其辐射能量的分布不严格遵守普朗克定律、四次方定律和余弦定律。,影响黑度的因素,2 基尔霍夫定律,描述物体的辐射能力与吸收能力之间的关系,吸收率（A）：表示物体对辐射能的吸收能力。 黑度（）：表示物体相对于黑体的辐射能力。,设有一黑体腔，腔内可以放入不同吸收率和黑度的物体，在平衡辐射的条件下（即黑体腔内表面温度和物体温度相等时） 得到：,在平衡辐射的条件下，依次更换腔中的物体，有：,任一物体的辐射能力和其吸收率之比=同等温度下黑体的辐射能力。,而黑体定义也是：,故： A= 基式 条件：系统处于热平衡，投射辐射来自黑体,在平衡辐射的条件下，物体对黑体的吸收率=其黑度 所以 A大就大，故吸收能
8、力强的物体，辐射能力也强。 在所有物体中，黑体的吸收率最大，所以在同温度下，黑体的辐射力也最大。 推知： 选择吸收的物体，能吸收的热射线必能辐射，不能吸收的也不能辐射。 注意！黑度、吸收率是两个不同的概念,3、灰体,由于实际物体的辐射性质随波长变化而变化，为简化辐射换热计算，提出灰体概念。 灰体：指单色吸收率A和单色黑度与波长无关的物体。,从基定律得到：=A=A 即：不论投射辐射来自何物体，也不论系统是否处于在热平衡条件，灰体的吸收率总是等于同温度下的黑度。 灰体也是一种理想的物体，但在红外线波长范围内，大部分工程材料可近似看作灰体。,4. 黑体间的辐射换热,考察下所示的两个黑体表面间的辐射换
9、热。假设两个表面积A1和A2，分别维持恒温T1与T2，表面之间的介质对热辐射是透明的。每个表面发射出的能量都只有一部分可以到达另一个表面，其余部分则落到空间去。,表面1发射出的辐射能落到表面2上的百分数称为表面1对表面2的角系数记为X12，同理定义表面2对表面1的角系数X21,由落到黑体表面上的能量被全部吸收，所以两个表面的换热量为：,则角系数：,同理：,当 时， 于是：,上式表示两个表面在辐射换热时角系数的相对性，并且上式的关系式不受温度条件的约束，因角系数纯属几何因子，仅取决于几何特性（形状、尺寸及物体的相对位置）。,于是两个黑体间辐射换热的计算公式：,黑体辐射力由Stefan-Boltz
10、mann定律确定，角系数X12与X21的定义及确定方法将在下面讨论。,11-4 角系数的定义、性质及计算,前面讲过，热辐射的发射和吸收均具有空间方向特性，因此，表面间的辐射换热与表面几何形状、大小和各表面的相对位置等几个因素均有关系，这种因素常用角系数来考虑。角系数的概念是随着固体表面辐射换热计算的出现与发展，于20世纪20年代提出的，它有很多名称，如，形状因子、可视因子、交换系数等等。但叫得最多的是角系数。值得注意的是，角系数只对漫射面(既漫辐射又漫发射)、表面的发射辐射和投射辐射均匀的情况下适用。1. 角系数的定义 在介绍角系数概念前，要先温习两个概念投入辐射：单位时间内投射到单位面积上的
11、总辐射能，记为G。,下面介绍角系数的概念及表达式。(1) 角系数：有两个表面，编号为1和2，其间充满透明介质，则表面1对表面2的角系数X1,2是：表面1直接投射到表面2上的能量，占表面1辐射能量的百分比。即,(2)有效辐射：单位时间内离开单位面积的总辐射能为该表面的有效辐射，参见右图 。包括了自身的发射辐射E和反射辐射G。G为投射辐射。,图:有效辐射示意图,同理，也可以定义表面2对表面1的角系数。从这个概念我们可以得出角系数的应用是有一定限制条件的，即漫射面、等温、物性均匀,角度系数：任意两表面，一表面所发射的辐射总能中，投到二表面的百分数，称一表面对另一表面的角度系数,X12,X21,X12
12、,X21,(2) 表面1对表面2的角系数 如图11-2所示，取微元面dA1和微元面dA2，则根据前面的定义式有,图11-2 两微元面间的辐射,(3) 微元面对微元面的角系数 如图所示，黑体微元面dA1对微元面dA2的角系数记为Xd1,d2，则根据前面的定义式有,类似地有,(4) 微元面对面的角系数 由角系数的定义可知，微元面dA1对面A2的角系数为,微元面dA2对面A1的角系数则为,(5) 面对面的角系数 面A1对面A2的角系数X1,2以及面A2对面A1的角系数X2,1分别为,2. 角系数性质根据角系数的定义和诸解析式，可导出角系数的代数性质。(1) 相对性 由下两式可以看出:,以上性质被称为
13、角系数的相对性。,由面对面的角系数:,(3) 可加性 如图11-4所示，表面2可分为2a和2b两个面，当然也可以分 为n个面，则角系数的可加性为,上式称为角系数的完整性。若表面1为非凹表面时，X1,1 = 0。,值得注意的是，上图中的表面2对表面1的角系数不存在上述的可加性。,图11-3 角系数的完整性,(2) 完整性 对于有n个表面组成的封闭系统，见图所示，据能量守恒可得:,图11-4 角系数的可加性,再来看一下2 对 1 的能量守恒情况:,3 角系数的计算方法 求解角系数的方法通常有直接积分法、代数分析法、几何分析法以及Monte-Carlo法。直接积分法的结果见上面公式。下面只给出代数分
14、析法。 代数分析法是利用角系数的各种性质，获得一组代数方程，通过求解获得角系数。值得注意的是，(1)利用该方法的前提是系统一定是封闭的，如果不封闭可以做假想面，令其封闭；(2)凹面的数量必须与不可见表面数相等。下面以三个非凹表面组成的封闭系统为例，如图11-5所示，面积分别为A1，A2和A3 ，则根据角系数的相对性和完整性得:,通过求解这个封闭的方程组，可得所有角系数，如X1,2为:,图11-5 三个非凹表面组成的封闭系统,若系统横截面上三个表面的长度分别为l1，l2和l3，则上式可写为,下面考察两个表面的情况，假想面如图11-6所示，根据完整性和上面的公式，有:,图11-6 两个非凹表面及假
15、想面组成的封闭系统,解方程组得:,该方法又被称为交叉线法。注意：这里所谓的交叉线和不交叉线都是指虚拟面断面的线，或者说是辅助线,例子见书:P159-160,第五节 灰体间的辐射换热,黑体表面 如图11-7所示，黑表面1和2之间的辐射换热量为,图11-7 黑体系统的辐射换热,2 漫灰表面 灰体间的多次反射给辐射换热的计算带来麻烦，此时需要采用前面讲过的投入辐射G和有效辐射J的概念。下面在假设表面物性和温度已知的情况下，考察J与表面净辐射换热量之间的关系，为计算漫灰表面间的辐射换热作准备。如图所示，对表面1来讲，净辐射换热量为q,消去图中的G1，并考虑到 ，可得,即：,下面来分析两个等温漫灰表面封闭系统内的辐射换热情况。如图11-8所示，两个表面的净换热量为,
