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文档简介

1、 材料工程基础材料工程基础第第 三三 章章 传传 热热 学学Heat Transfer第四节第四节 热辐射热辐射及辐射换热及辐射换热 Radiation and Radiation Heat Transfer 传传 热热 学学4. 热辐射的基本概念热辐射的基本概念定义:定义:由热运动产由热运动产生的,以电生的,以电磁波形式传磁波形式传递的能量。递的能量。 传传 热热 学学 特点特点a 任何物体只要温度高于任何物体只要温度高于0 K,就会不停地向周围空间发出热就会不停地向周围空间发出热辐射;辐射;b 可以在真空中传播;可以在真空中传播;c 伴随能量形式的转变;伴随能量形式的转变;d 具有强烈的方

2、向性;具有强烈的方向性;e 辐射能与温度和波长均有关;辐射能与温度和波长均有关;f 发射辐射取决于温度的发射辐射取决于温度的4次方。次方。 传传 热热 学学11QQQQQQQQQQ3. 3. 物体对热辐射的吸收、反射和穿透物体对热辐射的吸收、反射和穿透 absorptivitytransmissivityreflectivity 传传 热热 学学对于大多数的固体和液体:对于大多数的固体和液体:对于不含颗粒的气体:对于不含颗粒的气体:对于黑体:对于黑体: 镜体或白体:镜体或白体:透明体:透明体:1110,10,11 传传 热热 学学反射又分镜反射和漫反射两种反射又分镜反射和漫反射两种镜反射镜反射

3、 漫反射漫反射 传传 热热 学学 1. 1.黑体概念黑体概念 黑体:黑体:是指能吸收投入到是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的其面上的所有热辐射能的物体,是一种科学假想的物体,是一种科学假想的物体,现实生活中是不存物体,现实生活中是不存在的。但却可以人工制造在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。出近似的人工黑体。黑体模型黑体模型4.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律 传传 热热 学学 ()辐射力()辐射力E (W/mE (W/m2 2) ) : 单位时间内,物体单位表面积向半球空间发射单位时间内,物体单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。的所有波长的能量总和。2.2.表示热辐

4、射能量的几个概念表示热辐射能量的几个概念dAdQE 传传 热热 学学()单色辐射力()单色辐射力E (W/m3) : 单位时间内,单位波长范围内单位时间内,单位波长范围内( (包含某一给定波包含某一给定波长长) ),物体单位表面积向半球空间发射的能量。,物体单位表面积向半球空间发射的能量。dAddQdAdQE 传传 热热 学学E E、E E关系关系: :dEE0黑体一般采用下标黑体一般采用下标b b表示,如黑体的辐射力表示,如黑体的辐射力为为E Eb b,黑体的,黑体的单色辐射力单色辐射力为为E Ebb 传传 热热 学学1)(512TcbecE式中,式中, 波长,波长,m m ; T T 黑体

5、温度,黑体温度,K K ; c c1 1 第一辐射常数,第一辐射常数,3.7423.7421010-16-16 W W m m2 2; c c2 2 第二辐射常数,第二辐射常数,1.43881.43881010-2-2 K K; (1)Planck(1)Planck定律定律( (第一个定律第一个定律) ):黑体单色辐射力黑体单色辐射力3.黑体辐射的基本定律(前三个)黑体辐射的基本定律(前三个) 传传 热热 学学Planck Planck 定律的图示定律的图示 传传 热热 学学 一般地,物体发光与的温度关系为:一般地,物体发光与的温度关系为: 以上以上 发暗红色,发暗红色, 以上以上 黄白色黄白

6、色 以上以上 发深红色,发深红色, 以上以上 白色白色 以上以上 发鲜红色,发鲜红色, 以上以上 兰白色兰白色 以上以上 发橙黄色,发橙黄色, 以上以上 兰紫色兰紫色CCCC11001000800600CCCC6000300015001300 传传 热热 学学(2)Wien位移定律位移定律(第二个定律第二个定律) 反映出黑体温度越高其单色辐射反映出黑体温度越高其单色辐射力最大值所对应的波长越短的黑体辐力最大值所对应的波长越短的黑体辐射特征,也就是黑体温度越高能量分射特征,也就是黑体温度越高能量分布就越向波长短方向集中的特征。布就越向波长短方向集中的特征。2896(), ( )mmTm T K

7、其中Wien定律可以通过定律可以通过Planck定律求极值得到。定律求极值得到。 传传 热热 学学()Stefan-Boltzmann定律定律(第三个定律第三个定律): 40)(51012TdecdEETcbb式中,式中,= 5.6710-8 w/(m2 K4), 是是Stefan-Boltzmann常数。常数。 传传 热热 学学21dEEbb黑体辐射函数:黑体辐射函数: 反映黑体在波长反映黑体在波长1和和2区段内所发射区段内所发射的辐射力的辐射力特定波长区段内的黑体辐射力特定波长区段内的黑体辐射力 传传 热热 学学()方向辐射力()方向辐射力E(W/m2Sr) :方向辐射力是定义来描述物体表

8、面辐射能量在方向辐射力是定义来描述物体表面辐射能量在半球空间中的分布特征,其定义为半球空间中的分布特征,其定义为单位时间单单位时间单位辐射面积向半球空间中某一个方向上单位立位辐射面积向半球空间中某一个方向上单位立体角内辐射的所有波长的辐射能量体角内辐射的所有波长的辐射能量。bdQEddA微元立体角微元立体角d表示热辐射能量的另外几个概念表示热辐射能量的另外几个概念 传传 热热 学学球面面积除以球半径的平方称为立体角,球面面积除以球半径的平方称为立体角,单位:单位:sr(sr(球面度球面度) )。立体角立体角定义:定义:ddrdrrddsin/sin22rdAdn 传传 热热 学学定义:定义:单

9、位时间内,物体在垂直发射方向单位时间内,物体在垂直发射方向单位面积上,在单位立体角单位面积上,在单位立体角内发射的一切波长的能量。内发射的一切波长的能量。 dcosdbQIdA()()定向辐射强度定向辐射强度 : 传传 热热 学学() Lambert 定律定律(第四个基本定律第四个基本定律)cos.=.bbbbbnbnIconstEIEEILambertLambert定律也称为余弦定律。定律也称为余弦定律。3.黑体辐射的基本定律(后一个)黑体辐射的基本定律(后一个) 传传 热热 学学1 发射率发射率v黑体的辐射特性:同温度下,黑体发射热辐射的能力最黑体的辐射特性:同温度下,黑体发射热辐射的能力

10、最强,包括所有方向和所有波长;强,包括所有方向和所有波长;v真实物体表面的辐射能力低于同温度下的黑体;真实物体表面的辐射能力低于同温度下的黑体;v发射率发射率 ( (也称为黑度也称为黑度) ) :相同温度下,实际物体的半球相同温度下,实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比总辐射力与黑体半球总辐射力之比: :. 实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性 传传 热热 学学实际物体的辐射与黑度实际物体的辐射与黑度随方向和光谱变化随方向和光谱变化4000)(TdEdEdTEEEbbb发射率发射率( (黑度黑度) ):实际物体的:实际物体的辐射力与黑体辐射力之比。辐射力与黑体辐射力之比。实

11、际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱 传传 热热 学学bbIIEE 单色发射率:单色发射率:实际物体的单色辐射力实际物体的单色辐射力与黑体的单色辐射力之比:与黑体的单色辐射力之比:bEE 定向发射率:定向发射率:实际物体的定向辐射强度与实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比:黑体的定向辐射强度之比: 传传 热热 学学灰体灰体 灰体也是理想物体,其灰体也是理想物体,其光谱发射率光谱发射率 及吸及吸收比收比 与波长无关的物体称为灰体。与波长无关的物体称为灰体。 传传 热热 学学Semi-transparent medium当外界的辐射投入到物体表面上时,该物体

12、当外界的辐射投入到物体表面上时,该物体对投入辐射吸收的情况又是如何呢?对投入辐射吸收的情况又是如何呢? 传传 热热 学学1. 1. 投入辐射投入辐射:单位时间内投射到单位表面积上的:单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能总辐射能 2. 2. 选择性吸收选择性吸收:投入辐射本身具有光谱特性,因:投入辐射本身具有光谱特性,因此,实际物体对投入辐射的吸收能力也根据其波此,实际物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变化,这叫选择性吸收长的不同而变化,这叫选择性吸收. . 实际固体的吸收比和基尔霍夫定律实际固体的吸收比和基尔霍夫定律 传传 热热 学学3. 3. 吸收比吸收比:物体对投入辐射所吸收的

13、百分数,通:物体对投入辐射所吸收的百分数,通常用常用 表示表示,即,即()吸收的能量投入的能量 投入辐射4 4 光谱吸收比光谱吸收比:物体对某一特定波长的辐射能所吸:物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数,也叫单色吸收比。光谱吸收比随波收的百分数,也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。1( ,)T 吸收的某一特定波长的能量投入的某一特定波长的能量 传传 热热 学学金属导电体的光谱吸收比同波长的关系金属导电体的光谱吸收比同波长的关系 传传 热热 学学非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系非导电体材料的光谱吸收比同波长的关

14、系 传传 热热 学学物体的吸收比除与自身表面性质的温度有关外,物体的吸收比除与自身表面性质的温度有关外,还与投入辐还与投入辐射按波长的能量分布有关,而投入辐射按波长的能量分布又射按波长的能量分布有关,而投入辐射按波长的能量分布又取决于发出投入辐射的物体的性质与温度取决于发出投入辐射的物体的性质与温度。设下标。设下标1 1、2 2分别分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体,则物体代表所研究的物体和产生投入辐射的物体,则物体1 1的吸收比的吸收比为:为:1220122012( ,) ( ,)()d( ,)()d( ,12)bbTT ETT ETf T T 吸收的总能量投入的总能量表面 的性质,

15、表面 的性质 而物体之发射率而物体之发射率( )只与物体本身表面性质只与物体本身表面性质(包括本身温度包括本身温度T1)有关,与外界环境无关。有关,与外界环境无关。 传传 热热 学学如果投入辐射来自黑体,由于如果投入辐射来自黑体,由于 ,则上式可变为,则上式可变为1),(2Tb12212001222001204212( , )( ,)( )d( , )( )d( ,)( )d( )d( , )( )d( ,1)bbbbbbbTT ETT ETT ETETT ETTf T T 表面的性质 传传 热热 学学物体表面对黑体辐射的吸收比与辐射源温度的关系物体表面对黑体辐射的吸收比与辐射源温度的关系 传

16、传 热热 学学 灰体法灰体法,即将光谱吸收比,即将光谱吸收比 ( ( ) ) 等效为常数,即等效为常数,即 = = ( ( ) = const) = const。并将。并将 ( ( ) )与波长无关的物体与波长无关的物体称为灰体称为灰体,与黑体类似,它也是一种理想物体,与黑体类似,它也是一种理想物体,但对于大部分工程问题来讲,灰体假设带来的误但对于大部分工程问题来讲,灰体假设带来的误差是可以容忍的;差是可以容忍的; 谱带模型法谱带模型法,即将所关心的连续分布的谱带区域,即将所关心的连续分布的谱带区域划分为若干小区域,每个小区域被称为一个谱带,划分为若干小区域,每个小区域被称为一个谱带,在每个谱

17、带内应用灰体假设。在每个谱带内应用灰体假设。实际物体的吸收率近似计算实际物体的吸收率近似计算 传传 热热 学学投入辐射与吸收辐射二者之间的联系投入辐射与吸收辐射二者之间的联系:bbEEEE板板1是黑体,板是黑体,板2是任意物是任意物体,参数分别为体,参数分别为Eb, T1 以以及及E, , T2,则当系统处于,则当系统处于热平衡时,有热平衡时,有 传传 热热 学学=bEEKirchhoff 定律定律表明物体在某温度下的辐射力表明物体在某温度下的辐射力与同温度黑体辐射的吸收率之比恒等于该温度下黑体的与同温度黑体辐射的吸收率之比恒等于该温度下黑体的辐射力。故吸收率高的物体其辐射能力也就越强,黑体辐

18、射力。故吸收率高的物体其辐射能力也就越强,黑体的吸收率最大,因而辐射能量就最强。的吸收率最大,因而辐射能量就最强。4b=EET 传传 热热 学学Kirchhoff 定律的定律的限制限制: 整个系统处于热平衡状态;整个系统处于热平衡状态; 如物体的吸收率和发射率与温度有关,则二者如物体的吸收率和发射率与温度有关,则二者只有处于同一温度下的值才能相等;只有处于同一温度下的值才能相等;(1)(1)投射辐射源必须是同温度下的黑体。投射辐射源必须是同温度下的黑体。 传传 热热 学学 两个表面之间的辐射换热量与两个表面之间两个表面之间的辐射换热量与两个表面之间的相对位置有很大关系的相对位置有很大关系4.5

19、 4.5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算表面相对位置的影响表面相对位置的影响 传传 热热 学学4.5.1 角系数的定义角系数的定义 角系数是进行辐射换热计算时空间热组的主要组角系数是进行辐射换热计算时空间热组的主要组成部分。成部分。 定义:把表面定义:把表面1发出发出的辐射能中的辐射能中落到落到表面表面2上的上的百百分数分数称为表面称为表面1对表面对表面2的角系数,记为的角系数,记为F1,2。同同理,表面理,表面2发出的辐射能中落到表面发出的辐射能中落到表面1上的百分上的百分数称为表面数称为表面2对表面对表面1的角系数,记为的角系数,记为F21. 传传 热热 学学4.5.2

20、4.5.2 角系数的性质角系数的性质v研究角系数的性质是用代数法(代数分析法)研究角系数的性质是用代数法(代数分析法)v求解角系数的前提:求解角系数的前提: 假定:假定:(1 1)所研究的表面是漫射的所研究的表面是漫射的 (2 2)在所研究表面的不同地点上向在所研究表面的不同地点上向 外发射的辐射热流密度是均匀的外发射的辐射热流密度是均匀的 传传 热热 学学两微元面间的辐射两微元面间的辐射 传传 热热 学学1 1、角系数的相对性(互换性)、角系数的相对性(互换性)v一个微元表面到另一个微元表面的角系数一个微元表面到另一个微元表面的角系数11IE辐射力:1E:定向辐射强度1I222211cosr

21、dArdfd12121111dA ,dA11ddcosdAAIdA dFE dA 1由发出的落到的辐射能由 A 发出的辐射能 传传 热热 学学同理:同理:整理(整理(1 1)、()、(2 2)式得:)式得:2211,coscos12rdAFdAdA(2)2,1,1221dAFdAFdAdAdAdA(3)1221,2,1dAdAdAdAFdAFdA两微元表面两微元表面角系数的相对性表达式:角系数的相对性表达式:2212,coscos21rdAFdAdA(1) 传传 热热 学学两个有限大小表面两个有限大小表面之间角系数的相对性之间角系数的相对性1 , 2222, 1112,1FEAFEAQbb当当

22、 时,净辐射换热量为零,且时,净辐射换热量为零,且21TT 21bbEE 则有限大小表面间角系数的相对性的表达式则有限大小表面间角系数的相对性的表达式:1 , 222 , 11FAFA(4) 传传 热热 学学 2 2、角系数的完整性(归一性)、角系数的完整性(归一性) 对于由几个表面组成的封闭系统,据能量守衡对于由几个表面组成的封闭系统,据能量守衡原理,从任何一个表面发射出的辐射能必全部落到原理,从任何一个表面发射出的辐射能必全部落到封闭系统的各个表面上。因此,任何一个表面对封封闭系统的各个表面上。因此,任何一个表面对封闭腔各表面的角系数之间存在下列关系:闭腔各表面的角系数之间存在下列关系:

23、1, 13 , 12, 11 , 1nFFFFniiF1, 11(5)11,11,21,31,1.nQQQQQQ, 两边同时除以得:1,11,21,31,111111.nQQQQQQQQQQ,即: 传传 热热 学学自见性:自见性:若表面若表面1 1为非凹表面时,为非凹表面时,F F1,11,1 = 0 = 0;若表面若表面1 1为凹表面,为凹表面,01 ,1F 传传 热热 学学 3、角系数的可分性、角系数的可分性从表面从表面1上发出而落到表面上发出而落到表面2上的总能量,等于落到上的总能量,等于落到表面表面2上各部分的辐射能之和上各部分的辐射能之和,于是于是111,2111,5111,6AE

24、FAE FAE F1,21,51,6FFF(6) 传传 热热 学学 从从表面表面1上上发出发出而而落到表面落到表面2上的辐射能,上的辐射能,等于等于从从表面表面1的的各部分发出各部分发出而而落到表面落到表面2上上的辐射能之和,于的辐射能之和,于是有:是有:111,2333,2444,2AE FA E FA E F 角系数的上述特性可以用来求解许多情况下角系数的上述特性可以用来求解许多情况下两表面间的角系数值两表面间的角系数值1 1,23 3,24 4,2AFAFAF(7)341,23,24,211AAFFFAA(8) 传传 热热 学学4.5.3 4.5.3 角系数的计算方法角系数的计算方法 直

25、接积分法直接积分法代数分析法代数分析法几何分析法几何分析法求解角系数的方法求解角系数的方法 传传 热热 学学1 1、直接积分法、直接积分法v按角系数的基本定义通过求解多重积分而获得按角系数的基本定义通过求解多重积分而获得角系数的方法角系数的方法v据前面推导的微元面积据前面推导的微元面积dA1对对dA2的角系数公式:的角系数公式:222212,1coscosAdrdAF则微元面积则微元面积 对对 的角系数为的角系数为1dA2A12122,2coscosdA dAdAFr 传传 热热 学学122212,1112coscosdArdAFAAA 122122112,1coscos1AArdAdAAF上

26、式积分可得上式积分可得即即 传传 热热 学学2 2、代数分析法、代数分析法 利用角系数的相对性、完整性及可加性,通过利用角系数的相对性、完整性及可加性,通过求解代数方程而获得角系数的方法称为代数分析求解代数方程而获得角系数的方法称为代数分析法。法。 (1)(1)三个非凹表面三个非凹表面组成的封闭系统组成的封闭系统三个非凹表面组成的封闭系统三个非凹表面组成的封闭系统 传传 热热 学学1112, 31 , 33 , 21 , 23 , 12, 1FFFFFF2, 333 , 221 , 333 , 111 , 222, 11FAFAFAFAFAFA由角系数完整性由角系数完整性由角系数相对性由角系数

27、相对性 传传 热热 学学上述方程解得:上述方程解得:21323 , 212313 , 113212, 1222AAAAFAAAAFAAAAF21323 , 212313 , 113212, 1222llllFllllFllllF由于垂直纸面方向由于垂直纸面方向的长度相同,则有:的长度相同,则有: 传传 热热 学学(2)(2)任意两个非凹表面间的角系数任意两个非凹表面间的角系数两个非凹表面及假想面组成的封闭系统两个非凹表面及假想面组成的封闭系统 传传 热热 学学根据角系数的完整性:根据角系数的完整性:bdabacabcdabFFF,1abbcacabFacab2,abadbdabFbdab2,

28、传传 热热 学学说明:一表面与对应表面的角系数等于,构成说明:一表面与对应表面的角系数等于,构成封闭四边形的对角线之和减去其余两边线段之封闭四边形的对角线之和减去其余两边线段之和然后除以二倍的该表面的面积计算线段。和然后除以二倍的该表面的面积计算线段。abbdacadbcFcdab2)()(, 传传 热热 学学例题例题4-14-1,求下列图形中的角系数,求下列图形中的角系数 传传 热热 学学例题例题4-14-1,求下列图形中的角系数,求下列图形中的角系数解:解:341243211 , 2122, 11 , 21 , 222, 11RRFAAFFFAFA 传传 热热 学学.6.两黑体表面组成的封

29、闭腔间的辐射换热计算两黑体表面组成的封闭腔间的辐射换热计算 如前图所示,黑表面如前图所示,黑表面1 1和和2 2之间的辐射换热量为之间的辐射换热量为4.6 两固体表面间的辐射换热两固体表面间的辐射换热的部分的部分到达表面到达表面的热辐射的热辐射发出表面发出表面221)(212, 111 ,2222, 1112, 1bbbbEEFAFEAFEA 传传 热热 学学(2)有效辐射)有效辐射:单位时间内离开:单位时间内离开单位面积单位面积的总辐的总辐射能为该表面的有效辐射,记为射能为该表面的有效辐射,记为J。1、物体表面的有效辐射、物体表面的有效辐射(1)投入辐射)投入辐射:单位时间内投射到:单位时间

30、内投射到单位面积单位面积上的上的总辐射能,记为总辐射能,记为G。.6.漫射灰表面之间的辐射换热计算漫射灰表面之间的辐射换热计算 传传 热热 学学表面的反射比,可表示成表面的反射比,可表示成-有效辐射有效辐射自身射辐射自身射辐射E投入辐射被反射投入辐射被反射辐射的部分辐射的部分G 传传 热热 学学 从表面外部来观察,其从表面外部来观察,其能量收支差额能量收支差额应应等于有效辐射与投入辐射之差,即等于有效辐射与投入辐射之差,即从表面内部观察,从表面内部观察,该表面与外界的该表面与外界的辐射换热量应为:辐射换热量应为: 传传 热热 学学联立方程式,消去联立方程式,消去,得到,得到J J与表面净辐射与

31、表面净辐射换热量之间的关系换热量之间的关系: :A1称为表面辐射热阻称为表面辐射热阻 传传 热热 学学2 漫射灰表面之间的辐射热交换漫射灰表面之间的辐射热交换2,11121FJAQ1 ,2222,1112,1FJAFJAQ1 ,22212FJAQ1 ,222,11FAFA1 ,22212,11212,111FAJJFAJJQ 传传 热热 学学特例:黑体间的辐射换热量特例:黑体间的辐射换热量424102,112,11 ,224204101 ,22212,11212,1111TTFAQFATTFAEEFAJJQbbbb 传传 热热 学学、两灰表面组成的封闭腔的辐射换热、两灰表面组成的封闭腔的辐射换

32、热两个物体组成的辐射换热系统两个物体组成的辐射换热系统 传传 热热 学学两个表面的净换热量为两个表面的净换热量为据热量平衡据热量平衡1 ,2222,1112,1FJAFJAQ2211QQQ,222222,1121111112,1111AEJFAJJAJEQbb 传传 热热 学学2,111FA代入整理得代入整理得2222,11111212,1111AFAAEEQbb1bE1J2J2bE1111A2221A两封闭表面间的辐射换热网络图两封闭表面间的辐射换热网络图40TEb空间辐射热阻空间辐射热阻1111A2221A1111A表面辐射热阻表面辐射热阻 传传 热热 学学若以若以 为计算面积,上式可改写

33、为:为计算面积,上式可改写为:1A11111)(2212, 112112, 1AAFEEAQbb定义系统黑度定义系统黑度( (或称为系统导来黑度、系统发射率或称为系统导来黑度、系统发射率) )424102, 112,1TTFAQn11111)(2212, 112112, 1AAFEEAQbb11111)(21 , 212, 1212, 11FFEEFAbb11111121 , 212, 1FFn 传传 热热 学学三种特殊情形三种特殊情形(1)(1) 表面表面1 1为凸面或平面,此时,为凸面或平面,此时,F F1,21,21 1,于是,于是1111112212, 112, 1AAFFn11112

34、211AAn 传传 热热 学学(2)(2) 表面积表面积A A1 1比表面积比表面积A A2 2小得多,即小得多,即A A1 1/A/A2 2 0 0 于是于是1n(3)(3) 表面积表面积A A1 1与表面积与表面积A A2 2相当,即相当,即A A1 1/A/A2 2 1 1111121n 传传 热热 学学三个凸形漫灰表面间的辐射换热计算三个凸形漫灰表面间的辐射换热计算 传传 热热 学学三个有效辐射的节点方程如下三个有效辐射的节点方程如下 0111131131211211111FAJJFAJJAJEb0111232231212122222FAJJFAJJAJEb01112323213131

35、33333FAJJFAJJAJEb 传传 热热 学学a a 有一个表面为黑体。有一个表面为黑体。黑体的表面热阻黑体的表面热阻为零为零。其网络图如下:。其网络图如下:. . 两个重要特例两个重要特例 传传 热热 学学b b 有一个表面绝热,有一个表面绝热,即该表面的净换热量为即该表面的净换热量为零零。其网络图见下图:。其网络图见下图: 传传 热热 学学. 辐射换热的强化与削弱辐射换热的强化与削弱强化辐射换热强化辐射换热的主要途径有两种:的主要途径有两种: 增加发射率;增加发射率; 增加角系数。增加角系数。削弱辐射换热削弱辐射换热的主要途径有三种:的主要途径有三种: 降低发射率;降低发射率; 降低

36、角系数;降低角系数;(1)(1) 加入遮热板。加入遮热板。 传传 热热 学学4.7.1 遮热板遮热板遮热板指插入两个辐遮热板指插入两个辐射换热表面之间以削弱辐射换热表面之间以削弱辐射换热的薄板,其实插入射换热的薄板,其实插入遮热板相当于降低了表面遮热板相当于降低了表面发射率。发射率。削弱辐射换热方式之一削弱辐射换热方式之一 传传 热热 学学 传传 热热 学学稳态时有稳态时有: :2, 33 , 12, 1212, 1232, 3313 , 1)(21)()(qqqEEqEEqEEqbbbbbb可见,与没有遮热板时相比,辐射换热量减小了可见,与没有遮热板时相比,辐射换热量减小了一半。一半。 辐射

37、表面和金属板的温度、吸收比如图所示。辐射表面和金属板的温度、吸收比如图所示。为讨论方便,为讨论方便,设平板和金属薄板都是灰体,设平板和金属薄板都是灰体,并且并且123 传传 热热 学学4.7.2 4.7.2 遮热罩遮热罩削弱辐射换热的方式之二削弱辐射换热的方式之二 传传 热热 学学4.8 气体辐射气体辐射 本节将简要介绍气体辐射的特点、换热本节将简要介绍气体辐射的特点、换热过程及其处理方法。过程及其处理方法。 在工程中常见的温度在工程中常见的温度范围内,范围内, 和和 具有很强的吸收和发射具有很强的吸收和发射热辐射的本领,而其他的气体则较弱。热辐射的本领,而其他的气体则较弱。OH22CO 传传

38、 热热 学学1 1 气体辐射的特点气体辐射的特点 (1) (1) 气体辐射对波长具有选择性。气体辐射对波长具有选择性。它只它只在某谱带内具有发射和吸收辐射的本领,而在某谱带内具有发射和吸收辐射的本领,而对于其他谱带则呈现透明状态。对于其他谱带则呈现透明状态。 和和 的主要吸收的主要吸收谱带谱带2COOH2 传传 热热 学学(2)(2)气体的发射和吸收辐射能是气体的发射和吸收辐射能是在整个气体层内在整个气体层内实现的实现的。 当热射线穿过吸收性气体层时,沿途被气当热射线穿过吸收性气体层时,沿途被气体分子吸收而减弱。这种减弱的程度取决于沿途体分子吸收而减弱。这种减弱的程度取决于沿途所遇到的分子数目

39、。吸收辐射能的分子数目与所遇到的分子数目。吸收辐射能的分子数目与气气体的密度和射线的行程长度体的密度和射线的行程长度有关,而气体的密度有关,而气体的密度又取决于气体的状态(温度和压强)。因此,气又取决于气体的状态(温度和压强)。因此,气体中辐射能的发射和吸收与体中辐射能的发射和吸收与气体的温度气体的温度、压强压强及及气体层厚度气体层厚度有关。有关。 传传 热热 学学2 2 气体辐射的衰减规律气体辐射的衰减规律当热辐射进入吸收性气体层时,因沿当热辐射进入吸收性气体层时,因沿途被气体吸收而衰减。途被气体吸收而衰减。光谱辐射穿过气体层时的衰减光谱辐射穿过气体层时的衰减 传传 热热 学学理论上已经证明

40、,理论上已经证明, 与行程与行程 d dx x 成正比,设比成正比,设比例系数为例系数为 ,则有,则有xxII,dxkxkIIxxdd,式中,负号表示吸收,式中,负号表示吸收, 为为光谱衰减系数光谱衰减系数,m m-1-1,它取决于气体的种类、密度和波长。它取决于气体的种类、密度和波长。k 传传 热热 学学lIIxxxkIl0,ddI,0,即即lkleII0 ,Beer Beer 定律定律 式中,式中,l 是辐射通过的路程长度是辐射通过的路程长度,常称之为,常称之为射射线程长线程长。从上式可知,。从上式可知,热辐射在气体内呈指数规热辐射在气体内呈指数规律衰减。律衰减。 传传 热热 学学3 3

41、气体辐射的光谱吸收比、光谱发射率气体辐射的光谱吸收比、光谱发射率BeerBeer公式可以写为公式可以写为lkleLL0,光谱穿透比光谱穿透比对于气体,反射率为零,于是有对于气体,反射率为零,于是有lkell1),(1),(lkell1),(),(根据根据KirchhoffKirchhoff定律,光谱发射率为定律,光谱发射率为 传传 热热 学学 例题例题2-5 两无限大平行平面,其表面温度分别两无限大平行平面,其表面温度分别为为20 及及600,辐射率均为,辐射率均为0.8。试求这两块。试求这两块平行平面的(平行平面的(1)本身辐射;()本身辐射;(2)投射辐射;)投射辐射;3)有效辐射。有效辐

42、射。 4481110.8 5.676 1020273bEET【解解】(1 1)两物体的本身辐射为)两物体的本身辐射为= 334.66( w/m= 334.66( w/m2 2) )4842222736001067. 58 . 0TEEb= 26370( w/m= 26370( w/m2 2) ) 传传 热热 学学(2 2)物体的有效辐射是本身发射辐射与反射辐射之和,即)物体的有效辐射是本身发射辐射与反射辐射之和,即1111JEG2222JEG对于两个无限大平等平板,一板的有效辐射必然全部投射到二对于两个无限大平等平板,一板的有效辐射必然全部投射到二板上,反之亦然。即板上,反之亦然。即 21GJ

43、 12GJ 111 221 222112)1 ()1 (GEEG2.(. ).= .( w/m )()(. )(. )EEG411232121334 661 0 82 637 105 842 1011111 0 8 1 0 8同理同理 )/(1075. 2241mWG 传传 热热 学学(3 3)有效辐射有效辐射3211085. 5 GJ( w/m( w/m2 2) ) 3121075. 2 GJ( w/m( w/m2 2) ) 传传 热热 学学 例题例题2-6两无限长套管,内管和外管的两无限长套管,内管和外管的温度分别是温度分别是527和和27,辐射率均为,辐射率均为0.8,内管以热辐射形式传

44、给外管的热量,内管以热辐射形式传给外管的热量是是1060W/m,内管直径是,内管直径是20mm,求:,求:外管直径为多少?外管直径为多少? 传传 热热 学学【解解】内管向外管的辐射面积内管向外管的辐射面积ldA11外管向内管的辐射面积外管向内管的辐射面积ldA22内管辐射给外管的热量为内管辐射给外管的热量为) 11(1)(111221114241221112112,ldldldTTAAAEEQbbnet 传传 热热 学学单位长度内管辐射给外管的热量为单位长度内管辐射给外管的热量为 ) 11(1) 11(1)(22111424122111424112,12,dddTTdddTTlQqnetlne

45、t由已知由已知 mWqlnet/1060,12,mmd02. 018 . 021KT8002735271KT300273272mWqlnet/1060,12,mmd02. 018 . 021KT80027352718 . 021KT300273272KT80027352718 . 021) 11(1) 11(1)(22111424122111424112,12,dddTTdddTTlQqnetlnet 传传 热热 学学代入上式代入上式 ) 18 . 01(02. 08 . 0102. 014. 33008001067. 510602448d 解得解得2d0.051m=51mm0.051m=51mm。) 18 . 01(02.

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