第三章 傳熱學(xué)3-輻射換熱ppt課件

1、1第三章第三章 傳熱學(xué)根底傳熱學(xué)根底輻射換熱輻射換熱西安建筑科技大學(xué)粉體工程研討所李 輝2內(nèi)內(nèi) 容容 輻射換熱根本概念 黑體輻射換熱的根本定律 實(shí)踐物體與灰體的輻射 角系數(shù) 兩個(gè)灰體間的換熱31 輻射換熱根本概念輻射換熱根本概念1.1 熱輻射特點(diǎn)熱輻射特點(diǎn)(1) 定義：由本身溫度和熱運(yùn)動(dòng)的緣由產(chǎn)生的，以電磁定義：由本身溫度和熱運(yùn)動(dòng)的緣由產(chǎn)生的，以電磁波方式傳送的能量；波方式傳送的能量；(2) 特點(diǎn)：特點(diǎn)：a 任何物體，只需溫度高于任何物體，只需溫度高于0 K，就會(huì)不停，就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；地向周圍空間發(fā)出熱輻射；b 可以在真空中傳播；可以在真空中傳播；c 伴隨能量方式的轉(zhuǎn)變；伴隨能

2、量方式的轉(zhuǎn)變；d 具有劇烈的方向性；具有劇烈的方向性；e 輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)；輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)；f 發(fā)射輻射取決于溫度的發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。次方。41 輻射換熱根本概念輻射換熱根本概念1.2 電磁波譜電磁波譜電磁輻射包含了多種方式，而我們所感興趣的，即電磁輻射包含了多種方式，而我們所感興趣的，即工業(yè)上有實(shí)踐意義的熱輻射區(qū)域普通為工業(yè)上有實(shí)踐意義的熱輻射區(qū)域普通為0.1100m波長(zhǎng)。波長(zhǎng)。電磁波的傳播速度：電磁波的傳播速度： c = 式中：式中：c光速；光速； 頻率頻率; 波長(zhǎng)，波長(zhǎng)，m電磁輻射波譜51 輻射換熱根本概念輻射換熱根本概念1.3 物體對(duì)熱輻射的吸收、反射和穿透

3、物體對(duì)熱輻射的吸收、反射和穿透 當(dāng)熱輻射投射到物體外表上時(shí)，普通會(huì)發(fā)生三種景象，即吸收、反射和穿透，如下圖QQQQQQQQQQ11物體對(duì)熱輻射的吸收反射和穿透吸收率反射率透過(guò)率61 輻射換熱根本概念輻射換熱根本概念對(duì)于大多數(shù)的固體和液體：對(duì)于不含顆粒的氣體：對(duì)于黑體： 白體：透熱體：1反射又分鏡反射和漫反射兩種反射又分鏡反射和漫反射兩種鏡反射鏡反射漫反射漫反射111,01,07球面面積除以球半徑的平方稱為立體角，單位：sr(球面度).2ddrAc立體角定義圖1.4 立 體 角1 輻射換熱根本概念輻射換熱根本概念8微元立體角微元立體角可見輻射面積可見輻射面積ddsindd2rAc91 輻射換熱根

4、本概念輻射換熱根本概念1.5 輻射強(qiáng)度 在單位時(shí)間內(nèi)，在某給定輻射方向上，在與物體的發(fā)射方向垂直方向上的每單位投影面積，在單位立體角內(nèi)所發(fā)射的全波長(zhǎng)的能量稱為該方向上的輻射強(qiáng)度，又稱定向輻射強(qiáng)度，用I表示，單位是W/m2sr。cosdQIddAdQdcosdA物體向方向所輻射的全波段能量方向的立體角方向的可見輻射面積101 輻射換熱根本概念輻射換熱根本概念單位時(shí)間內(nèi)，輻射物體的單位外表積向半球空間發(fā)射的一切波長(zhǎng)的能量總和。用E表示 (W/m2)；單色輻射力：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，輻射物體的單位外表積向半球空間發(fā)射的單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)(包含某一給定波長(zhǎng))的能量。 (W/m3)；E E、E E關(guān)系關(guān)系: :顯然

5、， E和E之間具有如下關(guān)系：ddEdEEE0，黑體普通采用下標(biāo)b表示，如黑體的輻射力為Eb，黑體的單色輻射力為EbddEE 1.6 1.6 輻射力輻射力E E111 輻射換熱根本概念輻射換熱根本概念單位時(shí)間內(nèi)輻射物體每單位面積向空間指定方向周圍單位立體角內(nèi)所輻射的全波段的能量，單位是W/m2sr，用E表示。 cosdQEIddA定向輻射力 121 輻射換熱根本概念輻射換熱根本概念本身輻射和反射輻射之和稱為物體的有效輻射 GEJ1.7 有效輻射132 黑體輻射定律黑體輻射定律黑體：是指能吸收投入到其面上的一切熱輻射能的物體，是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實(shí)生活中是不存在的。但卻可以人工制造出近似的人工

6、黑體。根本性質(zhì)：a.吸收率為1；不反射，不透過(guò)b.漫反射外表，其定向輻射力與方向無(wú)關(guān)c.在給定溫度下，黑體的輻射才干最大1. 黑體概念與根本性質(zhì) 141)(512TcbecE式中，式中， 波長(zhǎng)，波長(zhǎng)，m m ； T T 黑體溫度，黑體溫度，K K ； c1 c1 第一輻射常數(shù)，第一輻射常數(shù)，3.7423.74210-16 W10-16 W m2m2； c2 c2 第二輻射常數(shù)，第二輻射常數(shù)，1.43881.438810-2 W10-2 W K K； 2.1 普朗克(Planck定律 (提示了各種不同溫度下黑體的單色輻射力按波長(zhǎng)分布的規(guī)律 )：右圖是根據(jù)上式描畫的黑體單色輻射力隨波長(zhǎng)和溫度的關(guān)系

7、。m與T 的關(guān)系由Wien偏移定律給出.mTm K32 896 10到達(dá)最大單色輻射力時(shí)的波長(zhǎng)2 黑體輻射定律黑體輻射定律152 黑體輻射定律黑體輻射定律2.2 2.2 斯蒂芬斯蒂芬波爾茨曼波爾茨曼Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann定律：定律：40)(51012TdecdEETcbb式中，=5.6710-8w/(m2K4)，是Stefan-Boltzmann常數(shù)。T是黑體的絕對(duì)溫度，K黑體在波長(zhǎng)1和2區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力：21dEEbb162.3 2.3 蘭貝特蘭貝特LambertLambert定律定律( (黑體輻射的第三個(gè)根本定律黑體輻射的第三個(gè)根本定律) )它

8、闡明黑體的定向輻射力隨方向角按余弦規(guī)律變化，法線方向的輻射力最大 ，因此， Lambert定律也稱為余弦定律。IIIIIn321coscosnnEIE黑體外表具有漫射外表的性質(zhì)，在半球空間各個(gè)方向上的定向輻射強(qiáng)度都相等 2 黑體輻射定律黑體輻射定律17LambertLambert定律圖示定律圖示cos dnnEEE 2沿半球方向積分上式，可獲得半球輻射力E:IEEn1對(duì)于黑體來(lái)說(shuō)，其法線方向上的輻射力為總輻射力的1/倍，即等于定向輻射強(qiáng)度 181 輻射率前面定義了黑體的輻射特性：同溫度下，黑體輻射熱的才干最強(qiáng)，包括一切方向和一切波長(zhǎng)；真實(shí)物體外表的輻射才干低于同溫度下的黑體；因此，定義了輻射率

9、 (也稱為黑度) ：一樣溫度下，實(shí)踐物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比:4TEEEb3 實(shí)踐物體與灰體的輻射特性實(shí)踐物體與灰體的輻射特性19上面公式只是針對(duì)方向和光譜波長(zhǎng)平均的情況，但實(shí)踐上，真實(shí)外表的輻射才干是隨方向和波長(zhǎng)變化的。波長(zhǎng)波長(zhǎng)方向方向3.1 輻射率輻射率20因此，我們需求定義單色定向輻射率，對(duì)于某一指定的方向和波長(zhǎng) ,actual emitted, , ,blackbody, ,T ,T ,TbEEEE ,actual emitted ,blackbody0 ,T ,T ,T bEdEEEd0對(duì)上面公式在一切波長(zhǎng)范圍內(nèi)積分，可得到定向輻射率，即實(shí)踐物體的定向輻射力與黑體的定

10、向輻射力之比：實(shí)踐物體的輻射力為 4TEEb 21幾種非導(dǎo)電體資料在不同方向上的定向輻射率( )(t=093.3)3.2 實(shí)踐物體的定向輻射實(shí)踐物體的定向輻射率率22黑體、灰體、白體等都是理想物體，而實(shí)踐物體的輻射特性并不完全與這些理想物體一樣，比如，(1)實(shí)踐物體的輻射力與黑體和灰體的輻射力的差別見圖；(2) 實(shí)踐物體的輻射力并不完全與熱力學(xué)溫度的四次方成正比；(3) 實(shí)踐物體的定向輻射強(qiáng)度也不嚴(yán)厲遵守Lambert定律，等等。因此，在工程上普通都將真實(shí)外表假設(shè)為漫發(fā)射面。實(shí)踐物體、黑體和灰體的單色輻射力23留意服從Lambert定律的外表稱為漫射外表。雖然實(shí)踐物體的定向輻射力并不完全符合L

11、ambert定律，但依然近似地以為大多數(shù)工程資料服從Lambert定律；物體外表的輻射率取決于物質(zhì)種類、外表溫度和外表情況。這闡明輻射率只與輻射熱量的物體本身有關(guān)，而不涉及外界條件。243.3 實(shí)踐物體的吸收率和基爾霍夫?qū)嵺`物體的吸收率和基爾霍夫定律定律Semi-transparent medium1. 投入輻射：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射到單位外表積上的總輻射能 2. 選擇性吸收：投入輻射本身具有光譜特性，因此，實(shí)踐物體對(duì)投入輻射的吸收才干也根據(jù)其波長(zhǎng)的不同而變化，這叫選擇性吸收3. 吸收率：物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通常用表示，即122, 2101, 20?TTbTTbTEdGGEd1, 2014

12、2?TbTEdTGG黑體波長(zhǎng)為的投射輻射，w/m2 所吸收的波長(zhǎng)為的投射輻射，w/m2 251859年，Kirchhoff 用熱力學(xué)方法回答了這個(gè)問(wèn)題，從而提出了Kirchhoff 定律。最簡(jiǎn)單的推導(dǎo)是用兩塊無(wú)限大平板間的熱力學(xué)平衡方法。如下圖，板1是黑體，板2是恣意物體，參數(shù)分別為Eb, T1 以及E, , T2，那么當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時(shí)，有 bbbqEEEEEE0平行平板間的輻射換熱平行平板間的輻射換熱 基爾霍夫定律 吸收率與輻射率之間的關(guān)系26 此即Kirchhoff 定律的表達(dá)式之一。該式闡明，在熱力學(xué)平衡形狀下，物體的吸收率等與它的輻射率。但該式具有如下限制：整個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡形狀；物

13、體的吸收率和輻射率與溫度有關(guān)，二者只需處于同一溫度下的值才干相等；投射輻射源必需是同溫度下的黑體。27角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計(jì)算1. 角系數(shù)的定義 在引見角系數(shù)概念前，要先復(fù)習(xí)兩個(gè)概念投入輻射：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射到單位面積上的總輻射能，記為G。(2)有效輻射：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)分開單位面積的總輻射能為該外表的有效輻射。包括了本身的發(fā)射輻射E和反射輻射G。G為投射輻射。有效輻射表示圖 284.1 角系數(shù)的概念：有兩個(gè)外表，編號(hào)為1和2，其間充溢透明介質(zhì)，那么外表1對(duì)外表2的角系數(shù)F12是：外表1直接投射到外表2上的能量，占外表1輻射能量的百分比。即同理，也可以定義外表2對(duì)外表1的角系數(shù)。角系數(shù)的運(yùn)用是有一定限

14、制條件的，即漫射面、等溫、物性均勻iiijijAJQF 4 角系數(shù)角系數(shù)設(shè)有溫度分別為Ti 、Tj的外表Ai、Aj，均為漫反射外表，處于恣意空間；dAi、dAj分別是其上的微元外表，ni ,nj分別是兩個(gè)微元面的法線方向，兩外表間的間隔為r。cosdQIddAijijjjiJIrdAd,2;cos且根據(jù)輻射強(qiáng)度的定義式： 又根據(jù)立體角的定義： jiiijiijddAIdQcos,所以： jiA AjiiiiijiAijiiiiiijiiijijdAdArJAJdAdIAJAJdQAJQFiji2,coscos1cos1jid同理： jiA AjiiijdAdArAFij2coscos1ijA

15、AjijjidAdArAFij2coscos1所以： jijijiFAFA31角系數(shù)的五個(gè)性質(zhì)。(1) 相對(duì)性2自見性 指一個(gè)物體外表向外輻射的能量，到達(dá)本身外表，或者說(shuō)被本身外表攔截的百分?jǐn)?shù) jijijiFAFA對(duì)于平面和凸面： 0i iF對(duì)于凹面： 0iiF4.2 角系數(shù)性質(zhì)角系數(shù)性質(zhì)32角系數(shù)的完好性角系數(shù)的完好性對(duì)于有n個(gè)外表組成的封鎖系統(tǒng)，據(jù)能量守恒可得:iNiiiiiQQQQQ21121iiNiiiiiiiQQQQQQQQNjiNiiiiijFFFFF1211(3) 完好性334兼顧性在恣意兩物體1、3之間設(shè)置一透熱體2，當(dāng)不思索路程對(duì)輻射能的影響時(shí)，有： 1312FF物體1到2、

16、3的輻射能一樣 34424323121FAFAFA5分解性當(dāng)兩個(gè)外表A1和A2之間輻射換熱時(shí)，如單獨(dú)把A1分解成A3和A4 ，單獨(dú)把A2分解成A5和A6 ，有：161151121FAFAFA355 兩個(gè)灰體之間的輻射換熱兩個(gè)灰體之間的輻射換熱5.1 輻射換熱熱阻組成輻射網(wǎng)絡(luò)的根本熱阻1外表輻射熱阻從外部看，向外界發(fā)出的輻射能為有效輻射 GAEAQ從內(nèi)部看，物體外表輻射出去的凈熱量為 GEGEJ1由上兩式可得有效輻射J： 11EQJA外表輻射的凈熱量Q： 1JAEAQbEE由于： 所以有： bbE AJAEQAJ11外表輻射熱阻365.1 輻射換熱熱阻輻射換熱熱阻2空間輻射熱阻 物體外表1輻射到

17、外表2的輻射能為121112FAJQ物體外表2輻射到外表1的輻射能為 212221FAJQ凈輻射傳熱量為 21221211211212,FAJFAJQQQnetA FAJJJJF121211222111空間輻射熱阻 37下面來(lái)分析兩個(gè)等溫漫灰外表封鎖系統(tǒng)內(nèi)的輻射換熱情況。如下圖，兩個(gè)外表的凈換熱量為,QA J FA J F1 2111 2222 15.2 被透明介質(zhì)隔開的兩固體外表間的輻射換熱被透明介質(zhì)隔開的兩固體外表間的輻射換熱外表1發(fā)出的熱輻射到達(dá)外表2的部分外表2發(fā)出的熱輻射到達(dá)外表1的部分灰體外表灰體外表38于是有,bbEEQAA FA121 2121111 222111,()A FT

18、TQFF4411 2121 21 22 11211111根據(jù)前面導(dǎo)出的熱阻，有：2121FA391 ,FF111201111221112112,AAAEEQbbnet有：2 0/21AA即A2無(wú)限大有：,bbQEEA1 211213 1/21AA有：1112112112,AEEQbbnet405.2 被透明介質(zhì)隔開的兩固體外表間的輻射換熱被透明介質(zhì)隔開的兩固體外表間的輻射換熱,()bbbbQA E FA EFA FEE1 2111 2222 111 212黑體系統(tǒng)的輻射換熱黑體外表黑體外表 如下圖，黑體外表如下圖，黑體外表1和和2之間的輻射換熱量為之間的輻射換熱量為外表1發(fā)出的 熱 輻 射到達(dá)

19、外表2的部分外表2發(fā)出的 熱 輻 射到達(dá)外表1的部分41例：兩無(wú)限長(zhǎng)套管，內(nèi)管和外管的溫度分別是527和27，輻射率均為0.8，內(nèi)管以熱輻射方式傳給外管的熱量是1060W/m，內(nèi)管直徑是20mm，求：外管直徑為多少？ 解：內(nèi)管向外管的輻射面積 ldA11外管向內(nèi)管的輻射面積 ldA22,FF111201,bbnetTTAEEAQAAAA441211211211122122111111可以運(yùn)用公式： ) 11(1) 11(1)(22111424122111424112,12,dddTTdddTTlQqnetlnet42知 ,/netlqw m121060mmd02. 018 . 021KT800

20、2735271KT300273272 ) 18 . 01(02. 08 . 0102. 014. 33008001067. 510602448d代入上式： 解得：d20.051m=51mm 43bJJEJJJA FAA F2111311113111121011bEJJJA FAJJA F2212322112222230111bJJEJJJA FAA F1333233223331131011節(jié)點(diǎn)1節(jié)點(diǎn)2節(jié)點(diǎn)3netQ12netQ23netQ13利用角系數(shù)的完好性、互換性和自見性可以求解方程。5.3 多外表系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算多外表系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算44留意： ( 1)節(jié)點(diǎn)的概念；(2)每個(gè)外表一個(gè)

21、外表熱阻，每對(duì)外表一個(gè)空間熱阻；(3)以及畫電路圖的一些根本知識(shí)1外表3為黑體的封鎖體系 J3=Eb32有一個(gè)外表絕熱的封鎖體系2221221111211112112,111111AFAFAFAAEEQRRbbnet5.3 多外表系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算多外表系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算45A 畫等效熱阻圖；B 列出各節(jié)點(diǎn)的熱流方程組；C 求解方程組，以獲得各個(gè)節(jié)點(diǎn)的等效輻射；D 利用公式 算每個(gè)外表的凈輻射熱流量。biiiiiiEJQA1總結(jié)上面過(guò)程，可以得到運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)法的根本步驟如下：5.3 多外表系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算多外表系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算46例：一烘干漆的爐子截面為三角形(如下圖)，一外表為1200K，另一外表是絕熱的