传热学chapter实用教案

1、一、辐射一、辐射(fsh)(fsh)及热辐及热辐射射(fsh)(fsh) 辐射是物体通过电磁波传递辐射是物体通过电磁波传递(chund)(chund)能量的现能量的现象。象。 辐射有很多种形式，它们的区别是导致发射辐射有很多种形式，它们的区别是导致发射(fsh)(fsh)电磁波的激励方式不同，而外在表现是辐射的波长不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。一样，以及吸收该辐射能量后引起的效应不同。 热辐射热辐射是物体由于热的原因所产生的辐射。它的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。作用：物体吸收辐射能后

2、将其转变成自身的内能。波长范围：波长范围：0.10.1100mm第1页/共43页第一页，共44页。第2页/共43页第二页，共44页。可见光的波长可见光的波长(bchng)(bchng)范围：范围：0.380.76m0.380.76m紫紫 蓝蓝 青青 绿绿 黄黄 橙橙 赤赤第3页/共43页第三页，共44页。二、辐射与导热二、辐射与导热(dor)(dor)、对流、对流的区别的区别 1.1. 传递方式不同传递方式不同2.2. 导热导热(dor)(dor)和对流需要媒介，辐射换热不需要和对流需要媒介，辐射换热不需要中间介质。中间介质。2. 2. 辐射换热过程辐射换热过程(guchng)(guchng)

3、存在能量形式的转换存在能量形式的转换热能热能电磁能电磁能电磁能电磁能热能热能3. 3. 辐射表面具有方向性和选择性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。同方向强度不一定相同，且与波长分布有关。第4页/共43页第四页，共44页。三、吸收三、吸收(xshu)(xshu)、反射和、反射和透射透射 周围物体周围物体(wt)(wt)在单位时在单位时间内投射到物体间内投射到物体(wt)(wt)单位表单位表面积上的辐射能。用面积上的辐射能。用G G表示，表示，单位单位W/m2 W/m2 。1 1

4、、投射、投射(tush)(tush)辐射辐射 被物体吸收、反射和透射的部分所占总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的份额分别称为吸收比 、反射比、反射比 和透射比和透射比 。GGGGGG 12 2、吸收比、反射比和透射比、吸收比、反射比和透射比第5页/共43页第五页，共44页。 视物体表面状况（平整程度）和投入视物体表面状况（平整程度）和投入(tur)(tur)辐射辐射的波长，表面的反射又分为镜反射和漫反射。的波长，表面的反射又分为镜反射和漫反射。3 3、镜反射、镜反射(fnsh)(fnsh)和漫和漫反射反射(fnsh)(fnsh) 漫反射是把来自漫反射是把

5、来自(li z)(li z)任意方向、任意波长的投任意方向、任意波长的投入辐射以均匀的强度（不是入辐射以均匀的强度（不是“能量能量”）反射到半球空）反射到半球空间所有方向上去。间所有方向上去。(a)(a)镜反射镜反射(b)(b)漫反射漫反射注：除了经特殊处理的金属表面，大注：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。部分工程材料均可视为漫射表面。第6页/共43页第六页，共44页。 吸收比吸收比 = 1 = 1的物体的物体(wt)(wt)称为黑体。称为黑体。4 4、黑体、黑体(hit)(hit)、白体和透明体、白体和透明体 黑体、白体和透明体都是理想物体，自然界中并不黑体、白体

6、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存在，主要用它们作为研究辐射规律(gul)(gul)的参照物。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。理论基础。 反射比反射比 = 1= 1的物体称为白体（或镜体）。的物体称为白体（或镜体）。 透射比透射比 = 1= 1的物体称之为透明体。的物体称之为透明体。 第7页/共43页第七页，共44页。四、辐射力和有效四、辐射力和有效(yuxio)(yuxio)辐射辐射1 1、辐射力辐射力 在单位时间内物体单位面积上向半球空间所有方在单位时间内物体单位面积上向半球空

7、间所有方向发射的全部波长向发射的全部波长(bchng)(bchng)范围内的辐射能称为辐范围内的辐射能称为辐射力，用符号射力，用符号E E表示，单位为表示，单位为W/m2W/m2。bEE第8页/共43页第八页，共44页。2 2、有效、有效(yuxio)(yuxio)辐射辐射 单位时间离开单位面积单位时间离开单位面积(min j)(min j)的总辐射的总辐射能为有效辐射，记为能为有效辐射，记为J J 。GEJ第9页/共43页第九页，共44页。五、定向五、定向(dn xin)(dn xin)辐射度辐射度(1) (1) 立体角立体角 是指球面上的面积与是指球面上的面积与球心球心(qixn)(qix

8、n)所对应的空所对应的空间角度。立体角的单位叫间角度。立体角的单位叫球面度，用球面度，用SrSr表示。表示。 2rA第10页/共43页第十页，共44页。(2) (2) 可见辐射可见辐射(fsh)(fsh)面积面积dAnp可见辐射面积可见辐射面积是指从空间某方向所看到是指从空间某方向所看到的表面有效的表面有效(yuxio)(yuxio)面面积。如右图中的可见辐射积。如右图中的可见辐射面积为：面积为：cosdA第11页/共43页第十一页，共44页。sr)W/(mdcosdd2ALpp 单位时间内单位时间内, ,单位可见辐射面积在空间指定单位可见辐射面积在空间指定(zhdng)(zhdng)方向的单

9、位立体角内所发出的总辐射能方向的单位立体角内所发出的总辐射能量。量。第12页/共43页第十二页，共44页。一、黑体一、黑体(hit)(hit)与黑体与黑体(hit)(hit)模型模型 黑体是吸收比等于黑体是吸收比等于1 1的理想物体的理想物体(wt)(wt)。它具有。它具有同温度下辐射能力最大的性质。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。制造出十分接近于黑体的模型。如：空腔上的小孔。第13页/共43页第十三页，共44页。二、普朗克定律二、普朗克定律(dngl)(dngl

10、)普朗克定律普朗克定律: :确定了黑体确定了黑体(hit)(hit)辐射的光谱分布规辐射的光谱分布规律。律。),(TfEb1/51b2TCeCEC1C1普朗克第一常数普朗克第一常数(chngsh)(chngsh)，C1= 3.742C1= 3.74210-16 10-16 W Wm2 ;m2 ;C2C2普朗克第二常数普朗克第二常数(chngsh)(chngsh)， C2 = 1.439 C2 = 1.43910-2 10-2 m mK K。 第14页/共43页第十四页，共44页。二、普朗克定律二、普朗克定律(dngl)(dngl)光谱(gungp)辐射力：)(bddEE第15页/共43页第十五

11、页，共44页。根据黑体辐射曲线根据黑体辐射曲线(qxin)(qxin)可以得以下规律：可以得以下规律：(1) (1) 温度愈高，同一波长温度愈高，同一波长(bchng)(bchng)下的光谱辐射下的光谱辐射力愈大；力愈大；(2) (2) 在一定在一定(ydng)(ydng)的温度下，黑体的光谱辐射的温度下，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；力随波长连续变化，并在某一波长下具有最大值；(3) (3) 随着温度的升高，光谱辐射力取得最大值的波长随着温度的升高，光谱辐射力取得最大值的波长 maxmax愈来愈小，即在愈来愈小，即在 坐标中的位置向短波方向移动。坐标中的位置向短波

12、方向移动。 第16页/共43页第十六页，共44页。维恩位移维恩位移(wiy)(wiy)定律定律 33max109 . 2108976. 2TmK 计算计算(j sun)(j sun)温度分别为温度分别为300K300K和和5800K5800K时最大光时最大光谱辐射力所对应的波长谱辐射力所对应的波长maxmax。m67. 9K 300Km 109 . 2 K, 3003maxTm5 . 0K 5800Km 109 . 2 K, 58003maxT第17页/共43页第十七页，共44页。三、斯忒藩三、斯忒藩- -玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律(dngl)(dngl) 黑体辐射的辐射力与温度的关系遵循黑体辐

13、射的辐射力与温度的关系遵循(zn xn)(zn xn)斯忒藩斯忒藩- -波尔兹曼定律：波尔兹曼定律：4TEbb4100TCEbb)K W/(m67. 5C)K W/(m1067. 542b428b第18页/共43页第十八页，共44页。波段波段(bdun)(bdun)范围内辐射力的范围内辐射力的计算计算21dbbEE为了计算为了计算(j sun)(j sun)上式，上式，先计算先计算(j sun)(j sun)（00) )的辐射占总辐射力的百分的辐射占总辐射力的百分比：比：0)/(51440)0(d11d2TcbbecTTEFTTcTfTecT0)/(515)()(d112表表8-28-2给出了

14、黑体辐射给出了黑体辐射(fsh)(fsh)函数表，即函数表，即 f( f( T) T)的数的数值。值。第19页/共43页第十九页，共44页。T / (mK)Fb(0-) / % T / (mK)Fb(0-) / %10001100120013001400150016001700180019002000220024002600280030000.03230.09160.2140.4340.7821.2901.9792.8623.9465.2256.69010.1114.0518.3422.8227.36 6500700075008000850090009500100001200014000160

15、00180002000022000240002600077.6680.8383.4685.6487.4789.0790.3291.4394.5196.2997.3898.0898.5698.8999.1299.30第20页/共43页第二十页，共44页。例题：计算例题：计算(j sun)(j sun)太阳辐射中可见光所占的比例。太阳辐射中可见光所占的比例。解：太阳可认为解：太阳可认为(rnwi)是表面温度为是表面温度为T = 5762 K的黑的黑体，可见光的波长范围是体，可见光的波长范围是0.380.76m ，即，即1 = 0.38 m , 2 = 0.76 m , 于是于是 24380T mK

16、 12190T mK 由黑体由黑体(hit)(hit)辐射函数表辐射函数表可查得可查得 %.F94910b%.F595420b可见光所占的比例为可见光所占的比例为 %65.4422210b0bbFFF第21页/共43页第二十一页，共44页。一、实际物体的光谱辐射力一、实际物体的光谱辐射力 和光谱发射率和光谱发射率E)(1)(bEE)(第22页/共43页第二十二页，共44页。二、实际物体的辐射力二、实际物体的辐射力 和发射率和发射率EbEE40d)(TEEEbb第23页/共43页第二十三页，共44页。三、实际物体的定向辐射度三、实际物体的定向辐射度 和定向发射率和定向发射率)()(LbLL)()

17、(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第24页/共43页第二十四页，共44页。材料类别和表面状况材料类别和表面状况温度温度法向发射率法向发射率钢：抛光的钢：抛光的40260402600.070.10.070.1轧制的钢板轧制的钢板40400.650.65不锈钢：抛光的不锈钢：抛光的40400.070.170.070.17红砖红砖20200.880.930.880.93玻璃玻璃40400.940.94各种颜色的油漆各种颜色的油漆40400.920.960.920.96雪雪-120-1200.820.82水（厚度大于0.1mm）水（厚度大于0.1mm）010001000.960.96

18、人体皮肤人体皮肤32320.980.98部分常见部分常见(chn jin)(chn jin)材料表面的法向发射率材料表面的法向发射率第25页/共43页第二十五页，共44页。四、实际物体的光谱吸收比四、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设下标设下标1 1、2 2分别代表所研究分别代表所研究(ynji)(ynji)的物体和产生投入辐射的物体，则物体的物体和产生投入辐射的物体，则物体1 1的吸收比为的吸收比为第26页/共43页第二十六页，共44页。物体的吸收物体的吸

19、收(xshu)(xshu)比除与自身表面性质的温度有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。关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。第27页/共43页第二十七页，共44页。 实际物体的光谱吸收比对投入辐射的波长有选择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性这一情况给辐射换热的工程计算(j sun)(j sun)带来很带来很多不便。多不便。五、灰体五、灰体 光谱光谱(gungp)(gungp)吸吸收比与波长无关的理想收比与波长无关的理想物体称为灰体。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在红外线的辐射范围内大

20、多数工程材料可以当作(dn zu)(dn zu)灰体处理。灰体处理。吸收比波长015 . 0第28页/共43页第二十八页，共44页。六、基尔霍夫定律六、基尔霍夫定律(dngl)(dngl) 基尔霍夫定律基尔霍夫定律(dngl)(dngl)给出了实际物给出了实际物体辐射能力与吸收能力体辐射能力与吸收能力的关系。的关系。列出处于热平衡时，实际列出处于热平衡时，实际物体物体2 2的能量收支的能量收支(shu (shu zh)zh)关系。关系。12221bEEqbEE 热平衡时：热平衡时：第29页/共43页第二十九页，共44页。七、关于基尔霍夫定律七、关于基尔霍夫定律(dngl)(dngl)和灰体的几

21、点说和灰体的几点说明明1 1、根据基尔霍夫定律，物体、根据基尔霍夫定律，物体(wt)(wt)的辐射能力越大，的辐射能力越大，其吸收能力也越大。换句话，善于辐射的物体其吸收能力也越大。换句话，善于辐射的物体(wt)(wt)必必善于吸收。善于吸收。2 2、对于工程问题而言，只要在所研究的波长范围、对于工程问题而言，只要在所研究的波长范围内光谱吸收内光谱吸收(xshu)(xshu)比基本上与波长无关，则灰体比基本上与波长无关，则灰体的假定是成立的。的假定是成立的。 3 3、当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能、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。把物体当作灰体处理。第30

22、页/共43页第三十页，共44页。一、角系数一、角系数(xsh)(xsh)的定的定义义 两个表面的辐射换热两个表面的辐射换热量与两个表面之间的相量与两个表面之间的相对位置对位置(wi zhi)(wi zhi)有很大有很大关系。如图所示：关系。如图所示： 我们把从表面我们把从表面1 1发出发出的辐射能中落到表面的辐射能中落到表面2 2上上的百分数的百分数, ,称为表面称为表面1 1对表对表面面2 2的角系数的角系数, ,记为记为X X1,21,2 表面表面1 1表面表面2 2第31页/共43页第三十一页，共44页。二、角系数二、角系数(xsh)(xsh)的性的性质质1 1、角系数、角系数(xsh)

23、(xsh)的相对的相对性性1 , 222, 112, 1211 , 22b22, 11b112212, 11 , 22b2122, 11b1210XAXATTXAEXAEXAEXAE时对于两个黑体(hit)(hit)表面：第32页/共43页第三十二页，共44页。 在几个表面组成在几个表面组成(z (z chn)chn)的封闭系统中，任的封闭系统中，任一个表面对封闭腔各个表一个表面对封闭腔各个表面的角系数之和等于面的角系数之和等于1 1。2 2、角系数、角系数(xsh)(xsh)的完的完整性整性11, 1, 13 , 12, 11 , 1nitnxXXXX第33页/共43页第三十三页，共44页。

24、3 3、角系数、角系数(xsh)(xsh)的分解的分解性性bbabbXEAXEAXEA2, 1112, 1212, 111baXXX2, 12, 12, 1第34页/共43页第三十四页，共44页。4 4、代数、代数(dish)(dish)法求角系法求角系数数 利用角系数利用角系数(xsh)(xsh)的相对性、完整性及可加性的相对性、完整性及可加性来获得角系数来获得角系数(xsh)(xsh)的方法。的方法。第35页/共43页第三十五页，共44页。完整性1= X+ X 1= X+ X1= X+ X3,23,12,32,11,31,2相对性2, 333 , 221 , 333 , 111 , 222

25、, 11XAXAXAXAXAXA13212, 12AAAAX第36页/共43页第三十六页，共44页。一、黑体表面一、黑体表面(biomin)(biomin)间的辐射换热间的辐射换热计算计算1 , 2222, 1112, 1XEAXEAbb2, 1121212, 111)(XAEEEEXAbbbb1 , 2221211 , 221)(XAEEEEXAbbbb 空间空间(kngjin)(kngjin)辐射辐射热阻热阻表面表面1 1表面表面2 211 ,TA22 ,TA第37页/共43页第三十七页，共44页。二、有效二、有效(yuxio)(yuxio)辐射辐射 单位时间离开单位时间离开(l ki)(l ki)单位面积的总辐射能为有单位面积的总辐射能为有效辐射，记为效辐射，记为J J 。11111111)1 (GEGEJb 物体表面与外间的辐射物体表面与外间的辐射(fsh)(fsh)换热量与有效辐射换热量与有效辐射(fsh)J (fsh)J 之间的关系：之间的关系：1J1111A1111111111)(AJEAGJb表面辐射热阻表面辐射热阻第38页/共43页第三十八页，共44页。 采用有效辐射的概念采用有效辐射的概念(ginin)(ginin)，任意两个表面，任意两个表面的辐射换热量可表示成：的辐射换热量可表示成：三、两个三、两个(lin )(lin )漫灰表面组成封闭系统的漫灰表面组