传输原理教案()传热

1、1 本章概括：本章概括： 1. 热辐射热辐射是物体因本身的温度，以电磁波的形式是物体因本身的温度，以电磁波的形式向外界发射能量的现象，是热量传递的三种基本方式向外界发射能量的现象，是热量传递的三种基本方式之一。之一。 2. 研究热辐射的意义：研究热辐射的意义：在现代科学技术的许多传在现代科学技术的许多传热过程中，热过程中，辐射换热辐射换热起着重要的，甚至是主导的作用，起着重要的，甚至是主导的作用，需要进行准确的辐射换热计算。需要进行准确的辐射换热计算。 3. 本章主要内容本章主要内容：（1）辐射概念；基本定律；辐射概念；基本定律；（2）黑体；实际物体辐射换热计算方法；）黑体；实际物体辐射换热计

2、算方法； （3）气体）气体辐射特点。辐射特点。 第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 21. 热辐射的本质热辐射的本质（1）辐射辐射物体中分子（原子）受激发而以电磁波的形式释物体中分子（原子）受激发而以电磁波的形式释放能量的现象，称为辐射。电磁波携带的能量放能量的现象，称为辐射。电磁波携带的能量称为称为辐射能辐射能。（2）任何物体任何物体都都随时随时向周围空间向周围空间发射电磁波发射电磁波，因热的原因因热的原因，以，以电磁波方式释放能量，即热辐射。电磁波方式释放能量，即热辐射。（3）只要）只要物体温度高于绝对零度物体温度高于绝对零度，就会产生热辐射。以热辐射，就会产生热辐射。以热辐射的

3、方式进行物体间的热量传递，称为的方式进行物体间的热量传递，称为辐射换热辐射换热。（4）辐射换热中伴随能量转换辐射换热中伴随能量转换：物质受热激发起原子的复杂运：物质受热激发起原子的复杂运动，进而向外以电磁波的形式发射并传播的能量。接受这种动，进而向外以电磁波的形式发射并传播的能量。接受这种电磁波的物体又将吸收的电磁波的物体又将吸收的辐射能转变成热能辐射能转变成热能。第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.1 10.1 32. 辐射换热与导热、对流换热有本质的区别：辐射换热与导热、对流换热有本质的区别： （1）热辐射所发射的辐射能热辐射所发射的辐射能取决于物体的温度取决于物体的温度，

4、温度越高，辐射越强。温度越高，辐射越强。（2）热辐射不依赖于物质的媒介作用，是一种热辐射不依赖于物质的媒介作用，是一种非非接触的传热方式接触的传热方式，因此热辐射是，因此热辐射是真空中唯一的传递真空中唯一的传递热量的方式热量的方式。第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.1 42000K以下，热辐射波长一般位于0.38100 m，其中大部分位于0.7620 m热射线热射线：能被物体吸收而转变成热能的辐射线称作能被物体吸收而转变成热能的辐射线称作热射线热射线。热射线包括紫外线紫外线，可见光可见光和和红外线红外线三个波段。可见光: 0.4 0.78 m （m微米，10-6米）紫外线:

5、10-2 0.4 m红外线: 0.8 50 m第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.1 53 吸收率，反射率，穿透率吸收率，反射率，穿透率 ) 110(1QQQQQQQQQQQQ设辐射到物体表面的总能量设辐射到物体表面的总能量 Q，其中：物体吸收Q, 反射Q, 穿透Q， 则有：Q= Q+Q+Q 即：令 则则 + + = 1(吸收率吸收率)(反射率反射率)(穿透率穿透率)第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.1 6第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.1 （1）固体、液体在其表面下固体、液体在其表面下1m（微米）（微米）1mm之间可以将辐射之间可以将辐射

6、能吸收完毕，并且转化为热能。能吸收完毕，并且转化为热能。（2）实际材料的厚度一般实际材料的厚度一般 远大于此，可以认为固液体不能透过热远大于此，可以认为固液体不能透过热辐射，辐射，热辐射全部被吸收或者反射，穿透率热辐射全部被吸收或者反射，穿透率=0，即，即 + = 1（3）对固体和液体的辐射、吸收、反射特性的影响因素：）对固体和液体的辐射、吸收、反射特性的影响因素：物体表物体表面材料的性质、表面状态、覆盖层厚度、温度等。面材料的性质、表面状态、覆盖层厚度、温度等。 热辐射波长热辐射波长与与表面不平整尺寸表面不平整尺寸时，属于漫反射时，属于漫反射。 时，属于镜面反射时，属于镜面反射。注意几点：注

7、意几点：7第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.2 10.2 1. 黑体黑体吸收率吸收率1 的物体叫的物体叫 绝对黑体绝对黑体，简称，简称黑体黑体。反射率反射率1 的物体叫的物体叫 镜体镜体。（漫反射，绝对白体）。（漫反射，绝对白体）穿透率穿透率1 的物体叫的物体叫 绝对透明体绝对透明体，简称为，简称为 “透明体透明体”。黑体是理想态黑体是理想态，自然界中没有天然黑体，人工可制造接近于黑，自然界中没有天然黑体，人工可制造接近于黑体的模型。体的模型。2. 辐射力辐射力 (E) （又叫（又叫 “辐射照度辐射照度”）单位时间内，单位时间内，单位表面积单位表面积向向表面半球空间所有方向表

8、面半球空间所有方向发射的发射的全全部波长的总辐射能部波长的总辐射能。（量刚：。（量刚：W/m2）3. 黑度黑度（发射率）（发射率） 令黑体辐射力令黑体辐射力Eb， 实际物体辐射力实际物体辐射力E Eb 称物体的黑度称物体的黑度（发射率）。（发射率）。0 18第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.3 10.3 普郎克定律表明：普郎克定律表明：黑体辐射能黑体辐射能按照波按照波长的分布规律。或者说黑体单色辐射长的分布规律。或者说黑体单色辐射力力Eb随随波长波长和和温度温度而变化的函数。而变化的函数。C1 3.74310-6C2 1.438710-2 （10-8）观察上图：每条曲线下的面

9、积表示观察上图：每条曲线下的面积表示某个温度下某个温度下黑体的辐射力。黑体的辐射力。辐射力辐射力 Eb 随黑体温度的升高而增大。随黑体温度的升高而增大。5221bhC k TEhce0bbEE d某温度下：0bbEE d黑体辐射能与波长、黑体辐射能与波长、温度的关系依据温度的关系依据10-8式绘制而成。式绘制而成。9利用利用Wien位移定律，测得黑体表面位移定律，测得黑体表面最大的单色辐射力波长最大的单色辐射力波长 m时，时，就可以由之就可以由之估算出表面温度估算出表面温度。二、维恩（二、维恩（Wien）位移定律）位移定律（1963年维恩根据年维恩根据普郎克定律普郎克定律10-8式式取极值得到

10、取极值得到）332.8976 102.9 10 /mTm k黑体辐射中黑体辐射中, 能量最大的波长能量最大的波长 m与绝对温度成反比。与绝对温度成反比。例： 太阳辐射m0.5m， T2.910-3 / 0.510-65800K (太阳表面温度)第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.3 104824, 5.67 10 /bbbETW mK25100.1bbCTCEE dde42400: , C5.67 /100bTORECTWmKC0黑体辐射黑体辐射系数系数应用：应用： 利用利用 Stefan-Boltzman定律，只要知道黑体表面的温度，定律，只要知道黑体表面的温度，即可求出黑体

11、在该温度下的辐射力。即可求出黑体在该温度下的辐射力。(10-8) 带入（带入（10-9）得到：）得到：积分上式得积分上式得 ：第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.3 b斯蒂芬斯蒂芬-玻尔玻尔兹曼常数兹曼常数（黑体辐（黑体辐射常数）射常数）11四、四、 基尔霍夫基尔霍夫 (Kirchhoff) 定律定律实际物体实际物体1（非黑体）（非黑体） 包在包在黑体大空腔黑体大空腔内，内，二者处于热二者处于热平衡平衡。对于非黑体物。对于非黑体物1，黑体投来的辐射为，黑体投来的辐射为Eb，非黑体，非黑体吸收率为吸收率为 ，非黑体，非黑体吸收了吸收了 Eb，非黑体辐射出，非黑体辐射出E1。两。两

12、者达到平衡。者达到平衡。由1的任意性，得：312123.bEEEEE基尔霍夫基尔霍夫 (Kirchhoff) 定律的结论：定律的结论： 体系处于热平衡时，任何物体的体系处于热平衡时，任何物体的辐射力辐射力E 和和 吸收率吸收率 的的 比值比值，恒等于同温度下黑体的辐射力恒等于同温度下黑体的辐射力。与物性无关，而仅仅取。与物性无关，而仅仅取决于温度。决于温度。（10-13）（基尔霍夫定律表达式）（基尔霍夫定律表达式）第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.3 112基尔霍夫基尔霍夫 (Kirchhoff) 定律的定律的推论：推论：1. 物体的发射力和吸收率成正比。吸收力越大则辐射力也

13、越物体的发射力和吸收率成正比。吸收力越大则辐射力也越大。（反之亦然）大。（反之亦然） 2. 相同温度下，黑体辐射力最强。相同温度下，黑体辐射力最强。bE, =EbEE又因所以吸收率所以吸收率 黑度黑度 热平衡时热平衡时，物体对黑体辐射的，物体对黑体辐射的吸收率吸收率等于同温度下该物体的等于同温度下该物体的黑度黑度。312123.bEEEEE（10-13 基尔霍夫定律）基尔霍夫定律）第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.3 13五、五、 兰贝特兰贝特(Lambert)定律定律-黑体辐射能在空间的分布黑体辐射能在空间的分布（1） 定向辐射强度定向辐射强度 Ip （辐射强度）（辐射强度

14、）在在单位时间单位时间、单位可见面积单位可见面积、单位立体角内单位立体角内，辐射的能量叫，辐射的能量叫做做定向辐射强度定向辐射强度。Qp 为任意为任意p方向（与法线夹角方向（与法线夹角 ）上辐射的热流率。上辐射的热流率。2sFr 是立体角（球面上是立体角（球面上表面积表面积与与球半径平方球半径平方之比）。之比）。15)-(10Sr W/mcos2ddFdQIpp第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.3 14（1）可以证明，IpIm =In=I （黑体定向辐射强度）（10-16）即：黑体定向辐射强度在半球的各个方向上相等。黑体定向辐射强度在半球的各个方向上相等。Sr W/m cos

15、2ddFdQIpp（10-15）（10-17 余弦定律余弦定律）黑体面积发生的辐射能，黑体面积发生的辐射能，落到落到空间不同方向单位立空间不同方向单位立体角中的能量值，与该方向同表面法线之间的夹角体角中的能量值，与该方向同表面法线之间的夹角的余弦的余弦成正比。成正比。（余弦定律）（余弦定律）（2）第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.3 15证明：辐射物体遵守兰贝特定律时，证明：辐射物体遵守兰贝特定律时，辐射力辐射力是是任何方向上定向辐射强度任何方向上定向辐射强度的的倍倍。（。（ ）底面上底面上微元辐射面微元辐射面dF， 在球面上任意辐射在球面上任意辐射方向方向p，取面积微元，取

16、面积微元dFs，则与发射方向，则与发射方向p垂垂直的辐射面面积为直的辐射面面积为dF cos 。立体角。立体角d 。单。单位时间位时间dF在在p方向辐射能为方向辐射能为dQp。所以：。所以： cosppdQIIdFd 2sdFdr2cospsdQI dFdFr2cos/psdQIdFdFrcossinpdQIdFd d sinsdFrdrd 图示：半球的半径为图示：半球的半径为r0, 此半球此半球覆盖在辐射微元面覆盖在辐射微元面dF所在的平所在的平面上。面上。第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.3 16单位时间，dF对半球表面所有方向的总辐射能为：/2200/2200 = co

17、ssin =pQdQIdFd dIdF 另一方面，QEdF所以，E =I。得出（得出（3）E =I ，符合兰贝特定律的黑体表面，辐射力符合兰贝特定律的黑体表面，辐射力 是任意方向上定向辐射强是任意方向上定向辐射强 度的度的 倍倍。第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.3 1710.4.1. 实际物体的辐射特性实际物体的辐射特性(1). 实际物体的辐射与绝对黑体不同。(2). 黑体的单色辐射力Eb随波长连续光滑地变化。而实际物体的单色辐射力E随波长和温度发生不规则变化。 实际实际E 黑体黑体Eb(3). 灰体单色辐射力与同温度、同波长下的黑体单色辐射力之比为定值 （灰体单色黑度）。

18、（灰体）：（灰体）：bEE40TEEb实际物体的辐射力计算公式 （10-20）第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.4 10.4 0是黑体辐射常数，是黑体辐射常数，18实际物体只是近似符合兰贝特定律，黑度也随辐射方向改变 (各方向上定向辐射强度不相等)。bII同温黑体定向辐射强度实际物体的黑度与物质种类、表面温度、表面状况有关。见P. 224 叙述及表（10-1）定义定向黑度为：定义定向黑度为：物体的定向黑度物体的定向黑度( ) )= 物体在该方向上的物体在该方向上的定向辐射强度定向辐射强度(I ) / 同温度下黑体在该方向上的同温度下黑体在该方向上的定向辐射黑度定向辐射黑度 (

19、I b) 。第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.4 1910.4.2. 实际物体的吸收特性实际物体的吸收特性 p225实际物体的吸收率和发射率 一样取决于辐射方向、波长、物质种类、表面温度及表面状况等。定义单色吸收率定义单色吸收率 对某一特定波长辐射能的吸收率。 P.225（看）图10-9是一些材料单色吸收率与波长的关系。第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.4 20第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.4 灰体灰体：某种物体的辐射光谱是连续的，并且在任何某种物体的辐射光谱是连续的，并且在任何温度下所有各温度下所有各波长波长射线的射线的辐射强度辐射强

20、度与同温度与同温度黑体黑体的的相应波长射线的辐射强度之比等于相应波长射线的辐射强度之比等于常数常数，那么这种，那么这种物体就叫做物体就叫做理想灰体理想灰体，或，或简称灰体简称灰体。 实际物体实际物体在某温度下的辐射强度与波长的关系在某温度下的辐射强度与波长的关系是不规则的，因此是不规则的，因此不是灰体不是灰体。但在工程计算上为了。但在工程计算上为了方便起见，方便起见，近似把它们都看作是灰体近似把它们都看作是灰体。 灰体的单色吸收率 const1 (10-22)211. 两黑体表面任意放置两黑体表面任意放置条件：表面间介质绝对透明。每个表面发射出的能量都每个表面发射出的能量都只有一只有一部分可以

21、到达另一个表面部分可以到达另一个表面，其余，其余部分落到空间去了。部分落到空间去了。第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.5 10.5 22F1向半球空间辐射总能： 111FEQb其中落在F2上： 2, 1Q定义12, 12, 1QQ角系数 （1对2）则：1112, 1cosddFIdQ2221cosrdFd所以 dQ12 可以写成：可以写成：同理有：同理有：根据（根据（10-15）dF1 投射到投射到dF2的的dQ12为：为：根据立体角定义：根据立体角定义：第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.4 232212112, 1coscosrdFdFEdQb221212

22、1 ,2coscosrdFdFEdQb211F222112, 1coscos dFdFrEQFb 积分：211F222121 ,2coscos dFdFrEQFb 角系数: 1212F2211112, 12, 1coscos1 FbdFdFrFFEQ 1212F2212221 ,21 ,2coscos1 FbdFdFrFFEQ第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.4 241 ,222, 11 FF角系数的相对性角系数的相对性黑体1，2之间净辐射换热热量：1 ,222, 111 ,22, 12, 1QQQQQ净1 ,2222, 111FEFEbb)(212, 11bbEEF)(21

23、1 ,22bbEEF(10-27)(1)(11 ,22212, 11212, 1FEEFEEQbbbb净辐射势差空间热阻Eb1Eb2第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.4 25 角系数是计算两板间净辐射换热的一个重角系数是计算两板间净辐射换热的一个重要概念。确定角系数的方法有很多，如要概念。确定角系数的方法有很多，如几何法几何法、积分法积分法、代数法代数法等。这里用来确定角系数的方等。这里用来确定角系数的方法是代数法。法是代数法。第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.4 26第二篇第二篇 热量传输热量传输 第第10章章 10.6 是多次吸收和反射的过程是多次吸收和反射的过程27(1)投入辐射投入辐射 :单位时间内单位时间内,投射到灰投射到灰体表面上单位面积的总辐射能称为体表面上单位面积的总辐射能称为对该面的对该面的投入辐射投入辐射 G (W/m2)。(2)吸收辐射吸收辐射: 投入辐射G中，被吸收的部分称吸收辐射 G (W/m2)。(3)反射辐射反射辐射: 投入辐射G中，被反射回去的部分称反射辐射 G (W/m2)。(4)有效辐射有效辐射: 表面上单位面积上离开的总辐射能称有效辐射 J (W/m2)。第二篇第