工程热力学与传热学中文辐射换热

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11—1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—100µm，包括部分紫外线，可见光，部分红外线；工业上常见温度范围T≤2000K时：：0.76—10µm辐射换热（Radiationheattransfer）q1,netq2,netT2T1q1,netq2,netT2T1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/ｍ2根据能量守恒：GGGGGGGG物体对热辐射的吸收，反射与透过GGGG物体对热辐射的吸收，反射与透过或：GGGGGG11吸收比，反射比和透过比吸收比α(Absorptivity)反射比ρ(Reflectivity)透过比τ(Tranmissivity)某一波长的投入辐射Gλ：GGGGGGGGGG1光谱吸收比α(Absorptivity)光谱反射比ρ(Reflectivity)光谱透过比τ(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：01两种反射现象：镜反射(Specularreflection)漫反射(Diffusereflection)n镜反射n镜反射漫反射漫反射漫射表面：漫反射和漫发射热辐射投射到气体表面上：01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）：1镜体（白体）：1绝对透明体：1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。94.0例如黑体，白体不同于黑色物体，白色物体。区别吸收，发射辐射能能力最强11—2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(Emissivepower)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(Emissivepower)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λ到λ+dλ范围的辐射能，称为该物体表面的辐射力。Eλ，W/m3dEE0对黑体辐射：bbEE不同温度下黑体的光谱辐射力随波长的变化：020040060080010001200246810121416180m/)]/([2mmWEb黑体的光谱辐射力700K700K600K500K400K300K020040060080010001200246810121416180m/)]/([2mmWEb黑体的光谱辐射力700K700K600K500K400K300KT一定时，0~~~~0:~~0:max,bbmEEλ一定时，bbEET,,2.普朗特定律1900年，普朗特确定黑体辐射的光谱分布规律。1251TCbeCE),(TfEb11-2-2维恩位移定律光谱辐射力为Ebλ,max时，λｍ和T之间的关系。0ddEb可得:KmTm33109.2108976.2并且:355max,/10106.1mWTEb当温度不变时:推导随T的升高，Ebλ对应的波长λｍ向短波迁移。举例计算温度分别为2000K和5800K的黑体与Ebλ,max对应的λｍ。解：由维恩位移公式：mKTmKTmm5.058006.2897,580045.120006.2897,2000说明工业上一般高温范围（2000K以下）时，与Ebλ,max对应的λｍ位于红外线区段；温度近于太阳表面温度（5800K）时，与Ebλ,max对应的λｍ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。40TEb式中:–黑体辐射常数)/(1067.54280KmW0另一种形式:240/)100(mWTCEb式中:C0–黑体辐射系数)/(67.5420KmWCbE0黑体的辐射力TbEbE0黑体的辐射力TbE举例计算黑体表面温度为27℃和627℃时的辐射力Eb。解：黑体表面温度为27℃时：244101/459)10027327(67.5)100(mWTCEb黑体表面温度为627℃时：2344202/102.37)100273627(67.5)100(mWTCEb分析81,31212bbEETT说明高温和低温两种情况下，黑体的辐射能力有明显的差别。波段内黑体辐射力：bE120黑体波段内的辐射力bE120黑体波段内的辐射力dEEbb0实际问题：dEEbb2121)(引入辐射比)(21bF)0()0(400)(122121211bbbbbbFFdETdEdEF其中：为黑体辐射函数（表11-1）)0(bF则波段内黑体辐射力：bbbbEFFE][)0()0()(122111-2-4兰贝特定律1.立体角nθdA1rφdφdA2dΩdθ立体角定义nθdA1rφdφdA2dΩdθnθdA1rφdφdA2dΩdθ立体角定义dA2drsinrddA2drsinrdsrrA2球面度对整个半球：srrA222对微元立体角：srddrdAdsin2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。)/(cos),(2srmWddAdLndΩdA1dA1cosθdA2dфθndΩdA1dA1cosθdA2dфθ对各向同性物体表面：)(),(LL0)()(dLL光谱辐射强度：)(L3.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。Eθ，W/(m2.sr))/(2srmWdAddEcos)(LE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：ConstLL)(定向辐射力与定向辐射强度的关系：cosLE辐射力与定向辐射强度的关系：20202cossincosLddLdLE适用于：黑体漫发射体11—3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）bEE实际物体的辐射力：40)100(TCEEb反映了物体发射辐射能量的能力。说明bbEdE0因此：2.物体的光谱发射率（光谱黑度）bEE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。40)100(TCEEb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℃，ε=0.2，500℃，ε=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0.85~0.95，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。吸收物体的本身状况投入辐射的特性实际物体的光谱吸收率对波长具有选择性：白瓷砖9.0,52.0,2mm玻璃可见光，红外线，很小，近乎透明体；紫外线，红外线，，表现不透明性。m5.2m31温室效应白漆和黑漆物体的颜色对可见光呈强烈选择性；但对红外线的吸收率均为0.9左右。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。),,(),,(TT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。)()(TT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。11—4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。q1,netq2,netT2T1q1,netq2,netT2T111-4-1角系数1.角系数的定义1n2n1dA2dAr1A2A1212任意位置的两表面间的辐射换热1n2n1dA2dAr1A2A1212任意位置的两表面间的辐射换热1212,1X2121,2X表面1对表面2的角系数：表面2对表面1的角系数：2122112,121coscos1dAdArAXAA或：2122121,221coscos1dAdArAXAA几何量2.角系数的性质非自见面的角系数等于0。平面12平面12角系数的相对性1,222,11XAXA01,1X角系数的完整性12345完整性12345完整性12,11,1XX封闭空腔中：15,14,13,12,11,1XXXXX或：11,njjiX凸面12凸面12角系数的可加性组合面A（1+2）对面A3的辐射角系数。A3A1A2A3A1A22,31,3)21(,3XXX分析根据角系数的完整性：2,331,33)21(,33XAXAXA即是：又由角系数的相对性：3),21()21()21(,33XAXA因此：3,223,113),21()21(XAXAXA3.角系数的计算主要方法有：积分法；代数法；图解法两面封闭系统有一个面为非自见面：两平行大平面：A1A2A1A2两个面都是自见面：A2A1A2A1平面12平面12A1A2A1A2凸面12凸面12解：根据角系数的完整性：举例确定：?,,,2,21,22,11,1XXXX12,11,1XX又由角系数的相对性：1,222,11XAXA由：01,1X得：12,1X得：212,1211,2AAXAAX211,22,211AAXX凸面12凸面12A1A2A1A2举例确定：?,,,2,21,22,11,1XXXX由：0,02,21,1XX解：得：12,1X11,2X举例确定：?,,,2,21,22,11,1XXXXA2A1A2A1A3三个非凹表面组成封闭系统A1A2A3l1l2l3A1A2A3l1l2l3举例确定：角系数解：根据非自见面的角系数为0：0,0,03,32,21,1XXX1,222,11XAXA1,333,11XAXA2,333,22XAXA13,12,11,1XXX13,22,21,2XXX13,32,31,3XXX可求：132113212,122llllAAAAX12313,12llllX21323,22llllX交叉线法abcdA1A2