传热学chapter8

传热学CHeatTransfer第八章辐射传热传热学CHeatTransfer§8-1热辐射的基本概念一、辐射及热辐射辐射是物体通过电磁波传递能量的现象。辐射有很多种形式，它们的区别是导致发射电磁波的激励方式不同，而外在表现是辐射的波长不一样，以及吸收该辐射能量后引起的效应不同。热辐射是物体由于热的原因所产生的辐射。它的作用：物体吸收辐射能后将其转变成自身的内能。波长范围：0.1~100μm传热学CHeatTransfer传热学CHeatTransfer可见光的波长范围：0.38~0.76μm紫蓝青绿黄橙赤传热学CHeatTransfer二、辐射与导热、对流的区别1.传递方式不同导热和对流需要媒介，辐射换热不需要中间介质。2.辐射换热过程存在能量形式的转换热能→电磁能电磁能→热能3.辐射表面具有方向性和选择性辐射换热属于表面的物理过程，在换热表面的不同方向强度不一定相同，且与波长分布有关。传热学CHeatTransfer三、吸收、反射和透射周围物体在单位时间内投射到物体单位表面积上的辐射能。用G表示，单位W/m2。1、投射辐射被物体吸收、反射和透射的部分所占总投射辐射的份额分别称为吸收比、反射比和透射比。GGGGGG12、吸收比、反射比和透射比传热学CHeatTransfer视物体表面状况（平整程度）和投入辐射的波长，表面的反射又分为镜反射和漫反射。3、镜反射和漫反射漫反射是把来自任意方向、任意波长的投入辐射以均匀的强度（不是“能量”）反射到半球空间所有方向上去。(a)镜反射(b)漫反射注：除了经特殊处理的金属表面，大部分工程材料均可视为漫射表面。传热学CHeatTransfer吸收比=1的物体称为黑体。4、黑体、白体和透明体黑体、白体和透明体都是理想物体，自然界中并不存在，主要用它们作为研究辐射规律的参照物。特别是黑体的概念，是整个热辐射研究和工程应用的理论基础。反射比=1的物体称为白体（或镜体）。透射比=1的物体称之为透明体。传热学CHeatTransfer四、辐射力和有效辐射1、辐射力在单位时间内物体单位面积上向半球空间所有方向发射的全部波长范围内的辐射能称为辐射力，用符号E表示，单位为W/m2。bEE传热学CHeatTransfer2、有效辐射单位时间离开单位面积的总辐射能为有效辐射，记为J。GEJ传热学CHeatTransfer五、定向辐射度(1)立体角是指球面上的面积与球心所对应的空间角度。立体角的单位叫球面度，用Sr表示。2rA传热学CHeatTransfer(2)可见辐射面积dAnp可见辐射面积是指从空间某方向所看到的表面有效面积。如右图中的可见辐射面积为：cosdA传热学CHeatTransfersr)W/(mdcosdd2ALpp(3)定向辐射度单位时间内,单位可见辐射面积在空间指定方向的单位立体角内所发出的总辐射能量。传热学CHeatTransfer§8-2黑体辐射的基本定律一、黑体与黑体模型黑体是吸收比等于1的理想物体。它具有同温度下辐射能力最大的性质。尽管在自然界并不存在黑体，但用人工的方法可以制造出十分接近于黑体的模型。如：空腔上的小孔。传热学CHeatTransfer二、普朗克定律普朗克定律:确定了黑体辐射的光谱分布规律。),(TfEb1/51b2TCeCEC1—普朗克第一常数，C1=3.742×10-16Wm2;C2—普朗克第二常数，C2=1.439×10-2mK。传热学CHeatTransfer二、普朗克定律光谱辐射力：)(bddEE传热学CHeatTransfer根据黑体辐射曲线可以得以下规律：(1)温度愈高，同一波长下的光谱辐射力愈大；(2)在一定的温度下，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。传热学CHeatTransfer维恩位移定律33max109.2108976.2TmK计算温度分别为300K和5800K时最大光谱辐射力所对应的波长max。μm67.9K300Km109.2K,3003maxTμm5.0K5800Km109.2K,58003maxT传热学CHeatTransfer三、斯忒藩-玻耳兹曼定律黑体辐射的辐射力与温度的关系遵循斯忒藩-波尔兹曼定律：4TEbb4100TCEbb)KW/(m67.5C)KW/(m1067.542b428b传热学CHeatTransfer波段范围内辐射力的计算21dbbEE为了计算上式，先计算（0—)的辐射占总辐射力的百分比：0)/(51440)0(d11d2TcbbecTTEFTTcTfTecT0)/(515)()(d112表8-2给出了黑体辐射函数表，即f(T)的数值。传热学CHeatTransferT/(mK)Fb(0-)/%T/(mK)Fb(0-)/%10001100120013001400150016001700180019002000220024002600280030000.03230.09160.2140.4340.7821.2901.9792.8623.9465.2256.69010.1114.0518.3422.8227.36650070007500800085009000950010000120001400016000180002000022000240002600077.6680.8383.4685.6487.4789.0790.3291.4394.5196.2997.3898.0898.5698.8999.1299.30传热学CHeatTransfer例题：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=5762K的黑体，可见光的波长范围是0.38～0.76m，即1=0.38m,2=0.76m,于是24380TmK12190TmK由黑体辐射函数表可查得%.F94910b%.F595420b可见光所占的比例为%65.4422210b0bbFFF传热学CHeatTransfer一、实际物体的光谱辐射力和光谱发射率E)(1)(bEE)(§8-3实际物体和灰体的辐射传热学CHeatTransfer二、实际物体的辐射力和发射率EbEE40d)(TEEEbb传热学CHeatTransfer三、实际物体的定向辐射度和定向发射率)()(LbLL)()(几种非金属材料的定向发射率几种金属材料的定向发射率传热学CHeatTransfer材料类别和表面状况温度法向发射率钢：抛光的40～2600.07～0.1轧制的钢板400.65不锈钢：抛光的400.07～0.17红砖200.88～0.93玻璃400.94各种颜色的油漆400.92～0.96雪-12～00.82水（厚度大于0.1mm）0～1000.96人体皮肤320.98部分常见材料表面的法向发射率传热学CHeatTransfer四、实际物体的光谱吸收比)()()()(GG)21,,(d)(),(d)(),(),(2102202211的性质表面的性质，表面投入的总能量吸收的总能量TTfTETTETTbb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的吸收比为传热学CHeatTransfer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。传热学CHeatTransfer实际物体的光谱吸收比对投入辐射的波长有选择性这一情况给辐射换热的工程计算带来很多不便。五、灰体光谱吸收比与波长无关的理想物体称为灰体。常数)(在红外线的辐射范围内大多数工程材料可以当作灰体处理。吸收比波长015.0传热学CHeatTransfer六、基尔霍夫定律基尔霍夫定律给出了实际物体辐射能力与吸收能力的关系。列出处于热平衡时，实际物体2的能量收支关系。12221bEEqbEE热平衡时：传热学CHeatTransfer七、关于基尔霍夫定律和灰体的几点说明1、根据基尔霍夫定律，物体的辐射能力越大，其吸收能力也越大。换句话，善于辐射的物体必善于吸收。2、对于工程问题而言，只要在所研究的波长范围内光谱吸收比基本上与波长无关，则灰体的假定是成立的。3、当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能把物体当作灰体处理。传热学CHeatTransfer§8-4角系数的定义、性质和计算一、角系数的定义两个表面的辐射换热量与两个表面之间的相对位置有很大关系。如图所示：我们把从表面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表面1表面2传热学CHeatTransfer二、角系数的性质1、角系数的相对性1,222,112,1211,22b22,11b112212,11,22b2122,11b1210XAXATTXAEXAEXAEXAE时对于两个黑体表面：传热学CHeatTransfer在几个表面组成的封闭系统中，任一个表面对封闭腔各个表面的角系数之和等于1。2、角系数的完整性11,1,13,12,11,1nitnxXXXX传热学CHeatTransfer3、角系数的分解性bbabbXEAXEAXEA2,1112,1212,111baXXX2,12,12,1传热学CHeatTransfer4、代数法求角系数利用角系数的相对性、完整性及可加性来获得角系数的方法。传热学CHeatTransfer完整性1=X+X1=X+X1=X+X3,23,12,32,11,31,2相对性2,333,221,333,111,222,11XAXAXAXAXAXA13212,12AAAAX传热学CHeatTransfer§8-5两个表面间的辐射换热一、黑体表面间的辐射换热计算1,2222,1112,1XEAXEAbb2,1121212,111)(XAEEEEXAbbbb1,2221211,221)(XAEEEEXAbbbb空间辐射热阻表面1表面211,TA22,TA传热学CHeatTransfer二、有效辐射单位时间离开单位面积的总辐射能为有效辐射，记为J。11111111)1(GEGEJb物体表面与外间的辐射换热量与有效辐射J之间的关系：1J1111A1111111111)(AJEAGJb表面辐射热阻传热学CHeatTransfer采用有效辐射的概念，任意两个表面的辐射换热量可表示成：三、两个漫灰表面组成封闭系统的辐射换热1,22212,11212,11,2222,1112,111XAJJXAJJXJAXJA空间辐射热阻传热学CHeatTransfer采用有效辐射的概念，任意两个表面的辐射换热量可表示成：三、两个漫灰表面组成封闭系统的辐射换热1,2222,1112,1XJAXJA1111111111)(AJEAGJb2222222221)(AJEAGJb传热学CHeatTransfer三、两个漫灰表面组成封闭系统的辐射换热若是两个表面组成封闭系统，则：212,1)(111212,112222,11111212,1bbsbbEEXAAXAAEE称为系统黑度s传热学CHeatTransfer2222,11111212,1111AXAAEEbb2,1传热学CHeatTransfer四、辐射换