《輻射換熱》課件2

輻射換熱輻射換熱是熱量傳遞的三種基本方式之一，指熱量通過電磁波的形式進(jìn)行傳遞的過程。輻射換熱不需要介質(zhì)，可以在真空中進(jìn)行，例如太陽輻射熱量到地球。輻射換熱概述輻射換熱是一種重要的熱傳遞方式，在日常生活中隨處可見。例如太陽的熱量通過輻射傳遞到地球，電爐的熱量通過輻射傳遞到鍋具，篝火的熱量通過輻射傳遞到周圍的人。輻射換熱是指物體由于溫度不同而相互發(fā)射和吸收能量的熱傳遞方式。其特點(diǎn)是不需要介質(zhì)參與，可以在真空中進(jìn)行，并且傳遞速度非?？臁］椛錈岬亩x能量傳遞輻射熱是能量以電磁波的形式傳遞的一種方式，不需要介質(zhì)。黑體輻射黑體是理想的熱輻射體，它能夠完全吸收所有波長(zhǎng)的輻射能量。熱能傳遞火焰釋放的熱量通過輻射的方式傳遞到周圍物體，例如，烤肉。輻射換熱的原理1熱輻射物體通過電磁波傳遞能量2能量傳遞物體溫度越高，輻射能量越強(qiáng)3吸收和發(fā)射所有物體都在吸收和發(fā)射輻射4輻射平衡物體吸收的能量等于發(fā)射的能量輻射換熱是物體之間通過電磁波傳遞能量的過程，這種過程不需要介質(zhì)，可以在真空中進(jìn)行。物體溫度越高，輻射能量越強(qiáng)，輻射換熱效率也越高。所有物體都在吸收和發(fā)射輻射，當(dāng)物體吸收的能量等于發(fā)射的能量時(shí)，物體處于輻射平衡狀態(tài)。黑體輻射理想模型黑體是指能夠完全吸收所有入射輻射，并且能夠以最大輻射率發(fā)射輻射的理想物體。普朗克定律普朗克定律描述了黑體在不同波長(zhǎng)下輻射能量的分布，揭示了黑體輻射能量與溫度之間的關(guān)系。重要性質(zhì)黑體輻射強(qiáng)度與溫度的四次方成正比，意味著溫度升高時(shí)，輻射強(qiáng)度將迅速增加。應(yīng)用價(jià)值黑體輻射理論在熱力學(xué)、天體物理學(xué)、輻射傳熱等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，為理解和計(jì)算輻射換熱奠定了基礎(chǔ)。灰體輻射灰體是指表面不完全吸收和反射輻射能量的物體。灰體輻射能量與黑體輻射能量之比被稱為灰度?；叶仁腔殷w的一個(gè)重要參數(shù)，它反映了灰體輻射能力的大小。輻射強(qiáng)度與溫度的關(guān)系輻射強(qiáng)度與溫度之間存在著密切的關(guān)系，溫度越高，輻射強(qiáng)度也越高。該關(guān)系可以用斯特藩-玻耳茲曼定律來描述。角度因子1定義角度因子表示兩個(gè)表面之間相互照射的程度。它代表了從一個(gè)表面輻射出的能量到達(dá)另一個(gè)表面的比例。2應(yīng)用角度因子在輻射換熱計(jì)算中非常重要，它可以幫助我們準(zhǔn)確地計(jì)算兩個(gè)表面之間的熱交換量。3影響因素角度因子的值取決于兩個(gè)表面的形狀、大小和相對(duì)位置，它是一個(gè)幾何因素。4計(jì)算角度因子可以通過積分或圖表的方式計(jì)算，對(duì)于復(fù)雜的幾何形狀，可以使用數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算。形狀因子形狀因子定義形狀因子表示物體表面輻射能量到達(dá)另一物體表面的比例。形狀因子是一個(gè)無量綱的系數(shù)，它取決于物體表面的幾何形狀和相對(duì)位置。形狀因子計(jì)算形狀因子可以通過積分公式或查表來計(jì)算。常用的形狀因子包括平板之間的形狀因子、圓柱之間的形狀因子等。形狀因子是輻射換熱計(jì)算中重要的參數(shù)之一。透射和反射透射物體允許輻射通過的程度稱為透射率，與物質(zhì)的性質(zhì)和輻射波長(zhǎng)有關(guān)。反射物體對(duì)入射輻射的反射能力稱為反射率，也取決于物質(zhì)的性質(zhì)和輻射波長(zhǎng)。吸收物體吸收輻射的程度稱為吸收率，與透射率和反射率之和為1。輻射換熱與導(dǎo)熱及對(duì)流換熱的比較傳熱方式輻射換熱、導(dǎo)熱和對(duì)流換熱是三種常見的傳熱方式。能量傳遞輻射換熱通過電磁波傳遞能量，而導(dǎo)熱和對(duì)流換熱則通過物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)傳遞能量。傳熱機(jī)制輻射換熱不需要介質(zhì)，導(dǎo)熱需要物質(zhì)，而對(duì)流換熱則需要流體。應(yīng)用場(chǎng)景輻射換熱廣泛應(yīng)用于太陽能利用、工業(yè)爐窯等，而導(dǎo)熱和對(duì)流換熱則應(yīng)用于熱交換器、散熱器等。輻射換熱在工程中的應(yīng)用輻射換熱在工程中廣泛應(yīng)用，例如工業(yè)爐窯、鍋爐、熱交換器、燃燒設(shè)備等。工業(yè)爐窯中，輻射換熱是主要的傳熱方式，通過高溫爐壁或燃燒火焰將熱量傳遞給工件。鍋爐中，輻射換熱用于將燃燒火焰的熱量傳遞給鍋爐受熱面，提高鍋爐的熱效率。熱交換器中，輻射換熱用于將熱流體或高溫物體中的熱量傳遞給冷流體，實(shí)現(xiàn)熱能的傳遞。輻射換熱在航天航空中的應(yīng)用輻射換熱在航天器設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。例如，航天器表面會(huì)吸收太陽輻射，并通過熱量向太空輻射?？刂坪教炱鞯臒崃科胶鈱?duì)于確保其正常運(yùn)行至關(guān)重要。例如，在衛(wèi)星設(shè)計(jì)中，太陽能電池板會(huì)吸收太陽輻射，將其轉(zhuǎn)化為電能，并通過熱量向太空輻射。設(shè)計(jì)人員需要仔細(xì)考慮輻射換熱，以確保太陽能電池板的溫度在最佳工作范圍內(nèi)。輻射換熱在建筑物中的應(yīng)用建筑物外墻和屋頂?shù)妮椛鋼Q熱是建筑物熱量平衡的主要因素。建筑物采暖和制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮輻射換熱的影響，以優(yōu)化能源效率。例如，利用太陽能輻射進(jìn)行建筑物采暖，以及通過熱反射材料和遮陽設(shè)施降低建筑物內(nèi)部的太陽輻射熱量，可以有效地提高建筑物的節(jié)能性能。太陽輻射的特點(diǎn)太陽輻射的光譜特性太陽輻射包含不同波長(zhǎng)的電磁輻射，主要集中在可見光、紅外線和紫外線。太陽輻射的能量分布太陽輻射的能量并非均勻分布，波長(zhǎng)越短，能量越高，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，能量越低。太陽輻射的角度影響太陽輻射到達(dá)地球的角度會(huì)影響到地球表面的輻射強(qiáng)度，緯度越高，角度越小，強(qiáng)度越低。太陽輻射的大氣層影響大氣層會(huì)吸收和散射太陽輻射，導(dǎo)致到達(dá)地面的輻射強(qiáng)度發(fā)生變化，并影響到不同波長(zhǎng)的輻射通過。日射通量的計(jì)算日射通量是單位面積上的太陽輻射能量，也稱為太陽輻射強(qiáng)度。日射通量受多個(gè)因素影響，包括太陽高度角、大氣透明度、地面反射率等。1.367kW/m2太陽常數(shù)0.7-0.9大氣透射率大氣吸收和散射的影響0.2-0.5地面反射率不同地表材質(zhì)影響300-1000W/m2典型日射通量室外表面的熱平衡1太陽輻射吸收太陽輻射是室外表面獲得熱量的主要來源。室外表面的顏色和材料會(huì)影響其吸收太陽輻射的程度。2對(duì)流換熱室外表面與周圍空氣之間會(huì)發(fā)生對(duì)流換熱，熱量會(huì)從表面流向空氣或從空氣流向表面。3輻射換熱室外表面會(huì)向周圍環(huán)境輻射熱量，同時(shí)也會(huì)吸收周圍環(huán)境輻射的熱量。輻射換熱的大小取決于表面的溫度和輻射率。4熱平衡當(dāng)室外表面吸收的熱量等于其散發(fā)出的熱量時(shí)，便達(dá)到熱平衡狀態(tài)。熱平衡是影響室外表面溫度的關(guān)鍵因素。建筑物外窗的熱負(fù)荷計(jì)算熱負(fù)荷計(jì)算參數(shù)單位傳導(dǎo)熱損失窗框材料熱阻、玻璃厚度、空氣層厚度W/m2.K對(duì)流熱損失室內(nèi)外溫度差、窗框風(fēng)速W/m2.K輻射熱損失窗框表面溫度、窗框輻射率W/m2.K建筑物外窗的熱負(fù)荷計(jì)算需要考慮傳導(dǎo)熱損失、對(duì)流熱損失和輻射熱損失三個(gè)方面。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以采取相應(yīng)措施，例如增加窗框保溫層、更換高性能玻璃等，以降低建筑物外窗的熱負(fù)荷。建筑物內(nèi)部熱量平衡熱量來源熱量損失人員活動(dòng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱照明設(shè)備通風(fēng)換氣設(shè)備運(yùn)行窗戶傳熱太陽輻射地面?zhèn)鳠峤ㄖ飪?nèi)部熱量平衡是指熱量輸入與熱量輸出之間的平衡狀態(tài)。維持熱量平衡對(duì)于確保建筑物舒適度、節(jié)能和安全性至關(guān)重要。輻射換熱在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用輻射換熱在許多新能源技術(shù)中發(fā)揮著重要作用，例如太陽能發(fā)電和太陽能熱利用。利用太陽輻射能量，通過輻射換熱將能量轉(zhuǎn)化為電能或熱能，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源利用。例如，太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)利用太陽輻射加熱工作介質(zhì)，通過輻射換熱將熱能傳遞給發(fā)電裝置。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)原理太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)利用太陽能加熱水或其他介質(zhì)，將熱能轉(zhuǎn)化為蒸汽。蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。類型常見的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)類型包括：槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)光熱發(fā)電系統(tǒng)太陽能熱利用光熱發(fā)電系統(tǒng)利用太陽能加熱介質(zhì)，產(chǎn)生高溫蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。高效率發(fā)電與傳統(tǒng)光伏發(fā)電相比，光熱發(fā)電效率更高，具有更大的發(fā)電潛力。儲(chǔ)能技術(shù)光熱發(fā)電系統(tǒng)可結(jié)合儲(chǔ)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)太陽能的穩(wěn)定供應(yīng)，解決間歇性問題。規(guī)?；瘧?yīng)用光熱發(fā)電系統(tǒng)可規(guī)?；ㄔO(shè)，為電網(wǎng)提供清潔能源。太陽能熱水系統(tǒng)11.集熱器將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，加熱水。22.儲(chǔ)水箱儲(chǔ)存加熱后的熱水，提供持續(xù)供應(yīng)。33.控制系統(tǒng)控制水泵、循環(huán)系統(tǒng)和溫度調(diào)節(jié)。44.輔助加熱系統(tǒng)在太陽能不足時(shí)提供輔助加熱，保證熱水供應(yīng)。太陽能采暖系統(tǒng)利用太陽能太陽能采暖系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，用于供暖。通過集熱器吸收太陽能，加熱水或空氣，為建筑物提供熱量。應(yīng)用范圍適用于各種建筑物，包括住宅、商業(yè)建筑和公共設(shè)施?？瑟?dú)立使用或與其他供暖系統(tǒng)結(jié)合使用，以提高供暖效率，降低能源消耗。地球輻射與溫室效應(yīng)地球輻射地球表面吸收太陽能量，并向外輻射紅外線，稱為地球輻射。溫室效應(yīng)大氣層中二氧化碳等溫室氣體阻擋地球輻射散失，導(dǎo)致地表溫度升高，即溫室效應(yīng)。溫室氣體的吸收和輻射溫室氣體的吸收溫室氣體，例如二氧化碳、甲烷和氧化亞氮，能夠吸收來自地球表面發(fā)出的長(zhǎng)波紅外輻射。這些氣體分子吸收輻射后，會(huì)發(fā)生振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，并釋放熱量。溫室氣體的輻射吸收的熱量會(huì)重新輻射回地球表面，導(dǎo)致地球表面溫度升高，這被稱為溫室效應(yīng)。溫室效應(yīng)的成因與后果溫室氣體增加二氧化碳、甲烷等溫室氣體濃度上升，導(dǎo)致地球大氣對(duì)太陽輻射的吸收能力增強(qiáng)。全球氣溫上升氣溫升高導(dǎo)致冰川融化、海平面上升、極端天氣頻發(fā)等一系列問題。氣候變化溫室效應(yīng)導(dǎo)致地球氣候發(fā)生變化，例如降水模式改變、季節(jié)變化異常。減緩溫室效應(yīng)的措施11.減少化石燃料使用減少燃煤、石油、天然氣等化石燃料的消耗，轉(zhuǎn)向清潔能源，如太陽能、風(fēng)能、水能等。22.提高能源利用效率通過技術(shù)革新，提高工業(yè)、交通、建筑等領(lǐng)域的能源利用效率，減少能源浪費(fèi)。33.發(fā)展低碳技術(shù)積極研發(fā)和推廣低碳技術(shù)，如碳捕獲與封存技術(shù)、新能源汽車技術(shù)等。44.加強(qiáng)森林保護(hù)和造林森林是重要的碳匯，加強(qiáng)森林保護(hù)和造林，可以吸收大氣中的二氧化碳。實(shí)踐案例分享分享多個(gè)工程應(yīng)用案例，展示輻射換熱技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，例如太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)、光熱發(fā)電系統(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能采暖系統(tǒng)等。通過案例分析，深入了解輻射換熱技術(shù)在不同場(chǎng)景下的應(yīng)用方式、設(shè)計(jì)理念和技術(shù)特點(diǎn)。并通過案例展示，幫助學(xué)生掌握輻射換熱技術(shù)的應(yīng)用方法，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際工程應(yīng)用能力。課程總結(jié)與展望輻射換熱是重要的熱傳遞方式之一，在工程、建筑和新能