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1、1第三章第三章 传热学根底传热学根底辐射换热辐射换热西安建筑科技大学粉体工程研讨所李 辉2内内 容容 辐射换热根本概念 黑体辐射换热的根本定律 实践物体与灰体的辐射 角系数 两个灰体间的换热31 辐射换热根本概念辐射换热根本概念1.1 热辐射特点热辐射特点(1) 定义:由本身温度和热运动的缘由产生的,以电磁定义:由本身温度和热运动的缘由产生的,以电磁波方式传送的能量;波方式传送的能量;(2) 特点:特点:a 任何物体,只需温度高于任何物体,只需温度高于0 K,就会不停,就会不停地向周围空间发出热辐射;地向周围空间发出热辐射;b 可以在真空中传播;可以在真空中传播;c 伴随能量方式的转变;伴随能

2、量方式的转变;d 具有剧烈的方向性;具有剧烈的方向性;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。41 辐射换热根本概念辐射换热根本概念1.2 电磁波谱电磁波谱电磁辐射包含了多种方式,而我们所感兴趣的,即电磁辐射包含了多种方式,而我们所感兴趣的,即工业上有实践意义的热辐射区域普通为工业上有实践意义的热辐射区域普通为0.1100m波长。波长。电磁波的传播速度:电磁波的传播速度: c = 式中:式中:c光速;光速; 频率频率; 波长,波长,m电磁辐射波谱51 辐射换热根本概念辐射换热根本概念1.3 物体对热辐射的吸收、反射和穿透

3、物体对热辐射的吸收、反射和穿透 当热辐射投射到物体外表上时,普通会发生三种景象,即吸收、反射和穿透,如下图QQQQQQQQQQ11物体对热辐射的吸收反射和穿透吸收率反射率透过率61 辐射换热根本概念辐射换热根本概念对于大多数的固体和液体:对于不含颗粒的气体:对于黑体: 白体:透热体:1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漫反射漫反射111,01,07球面面积除以球半径的平方称为立体角,单位:sr(球面度).2ddrAc立体角定义图1.4 立 体 角1 辐射换热根本概念辐射换热根本概念8微元立体角微元立体角可见辐射面积可见辐射面积ddsindd2rAc91 辐射换热根

4、本概念辐射换热根本概念1.5 辐射强度 在单位时间内,在某给定辐射方向上,在与物体的发射方向垂直方向上的每单位投影面积,在单位立体角内所发射的全波长的能量称为该方向上的辐射强度,又称定向辐射强度,用I表示,单位是W/m2sr。cosdQIddAdQdcosdA物体向方向所辐射的全波段能量方向的立体角方向的可见辐射面积101 辐射换热根本概念辐射换热根本概念单位时间内,辐射物体的单位外表积向半球空间发射的一切波长的能量总和。用E表示 (W/m2);单色辐射力:单位时间内,辐射物体的单位外表积向半球空间发射的单位波长范围内(包含某一给定波长)的能量。 (W/m3);E E、E E关系关系: :显然

5、, E和E之间具有如下关系:ddEdEEE0,黑体普通采用下标b表示,如黑体的辐射力为Eb,黑体的单色辐射力为EbddEE 1.6 1.6 辐射力辐射力E E111 辐射换热根本概念辐射换热根本概念单位时间内辐射物体每单位面积向空间指定方向周围单位立体角内所辐射的全波段的能量,单位是W/m2sr,用E表示。 cosdQEIddA定向辐射力 121 辐射换热根本概念辐射换热根本概念本身辐射和反射辐射之和称为物体的有效辐射 GEJ1.7 有效辐射132 黑体辐射定律黑体辐射定律黑体:是指能吸收投入到其面上的一切热辐射能的物体,是一种科学假想的物体,现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工

6、黑体。根本性质:a.吸收率为1;不反射,不透过b.漫反射外表,其定向辐射力与方向无关c.在给定温度下,黑体的辐射才干最大1. 黑体概念与根本性质 141)(512TcbecE式中,式中, 波长,波长,m m ; T T 黑体温度,黑体温度,K K ; c1 c1 第一辐射常数,第一辐射常数,3.7423.74210-16 W10-16 W m2m2; c2 c2 第二辐射常数,第二辐射常数,1.43881.438810-2 W10-2 W K K; 2.1 普朗克(Planck定律 (提示了各种不同温度下黑体的单色辐射力按波长分布的规律 ):右图是根据上式描画的黑体单色辐射力随波长和温度的关系

7、。m与T 的关系由Wien偏移定律给出.mTm K32 896 10到达最大单色辐射力时的波长2 黑体辐射定律黑体辐射定律152 黑体辐射定律黑体辐射定律2.2 2.2 斯蒂芬斯蒂芬波尔茨曼波尔茨曼Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann定律:定律:40)(51012TdecdEETcbb式中,=5.6710-8w/(m2K4),是Stefan-Boltzmann常数。T是黑体的绝对温度,K黑体在波长1和2区段内所发射的辐射力:21dEEbb162.3 2.3 兰贝特兰贝特LambertLambert定律定律( (黑体辐射的第三个根本定律黑体辐射的第三个根本定律) )它

8、阐明黑体的定向辐射力随方向角按余弦规律变化,法线方向的辐射力最大 ,因此, Lambert定律也称为余弦定律。IIIIIn321coscosnnEIE黑体外表具有漫射外表的性质,在半球空间各个方向上的定向辐射强度都相等 2 黑体辐射定律黑体辐射定律17LambertLambert定律图示定律图示cos dnnEEE 2沿半球方向积分上式,可获得半球辐射力E:IEEn1对于黑体来说,其法线方向上的辐射力为总辐射力的1/倍,即等于定向辐射强度 181 辐射率前面定义了黑体的辐射特性:同温度下,黑体辐射热的才干最强,包括一切方向和一切波长;真实物体外表的辐射才干低于同温度下的黑体;因此,定义了辐射率

9、 (也称为黑度) :一样温度下,实践物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:4TEEEb3 实践物体与灰体的辐射特性实践物体与灰体的辐射特性19上面公式只是针对方向和光谱波长平均的情况,但实践上,真实外表的辐射才干是随方向和波长变化的。波长波长方向方向3.1 辐射率辐射率20因此,我们需求定义单色定向辐射率,对于某一指定的方向和波长 ,actual emitted, , ,blackbody, ,T ,T ,TbEEEE ,actual emitted ,blackbody0 ,T ,T ,T bEdEEEd0对上面公式在一切波长范围内积分,可得到定向辐射率,即实践物体的定向辐射力与黑体的定

10、向辐射力之比:实践物体的辐射力为 4TEEb 21几种非导电体资料在不同方向上的定向辐射率( )(t=093.3)3.2 实践物体的定向辐射实践物体的定向辐射率率22黑体、灰体、白体等都是理想物体,而实践物体的辐射特性并不完全与这些理想物体一样,比如,(1)实践物体的辐射力与黑体和灰体的辐射力的差别见图;(2) 实践物体的辐射力并不完全与热力学温度的四次方成正比;(3) 实践物体的定向辐射强度也不严厉遵守Lambert定律,等等。因此,在工程上普通都将真实外表假设为漫发射面。实践物体、黑体和灰体的单色辐射力23留意服从Lambert定律的外表称为漫射外表。虽然实践物体的定向辐射力并不完全符合L

11、ambert定律,但依然近似地以为大多数工程资料服从Lambert定律;物体外表的辐射率取决于物质种类、外表温度和外表情况。这阐明辐射率只与辐射热量的物体本身有关,而不涉及外界条件。243.3 实践物体的吸收率和基尔霍夫实践物体的吸收率和基尔霍夫定律定律Semi-transparent medium1. 投入辐射:单位时间内投射到单位外表积上的总辐射能 2. 选择性吸收:投入辐射本身具有光谱特性,因此,实践物体对投入辐射的吸收才干也根据其波长的不同而变化,这叫选择性吸收3. 吸收率:物体对投入辐射所吸收的百分数,通常用表示,即122, 2101, 20?TTbTTbTEdGGEd1, 2014

12、2?TbTEdTGG黑体波长为的投射辐射,w/m2 所吸收的波长为的投射辐射,w/m2 251859年,Kirchhoff 用热力学方法回答了这个问题,从而提出了Kirchhoff 定律。最简单的推导是用两块无限大平板间的热力学平衡方法。如下图,板1是黑体,板2是恣意物体,参数分别为Eb, T1 以及E, , T2,那么当系统处于热平衡时,有 bbbqEEEEEE0平行平板间的辐射换热平行平板间的辐射换热 基尔霍夫定律 吸收率与辐射率之间的关系26 此即Kirchhoff 定律的表达式之一。该式阐明,在热力学平衡形状下,物体的吸收率等与它的辐射率。但该式具有如下限制:整个系统处于热平衡形状;物

13、体的吸收率和辐射率与温度有关,二者只需处于同一温度下的值才干相等;投射辐射源必需是同温度下的黑体。27角系数的定义、性质及计算1. 角系数的定义 在引见角系数概念前,要先复习两个概念投入辐射:单位时间内投射到单位面积上的总辐射能,记为G。(2)有效辐射:单位时间内分开单位面积的总辐射能为该外表的有效辐射。包括了本身的发射辐射E和反射辐射G。G为投射辐射。有效辐射表示图 284.1 角系数的概念:有两个外表,编号为1和2,其间充溢透明介质,那么外表1对外表2的角系数F12是:外表1直接投射到外表2上的能量,占外表1辐射能量的百分比。即同理,也可以定义外表2对外表1的角系数。角系数的运用是有一定限

14、制条件的,即漫射面、等温、物性均匀iiijijAJQF 4 角系数角系数设有温度分别为Ti 、Tj的外表Ai、Aj,均为漫反射外表,处于恣意空间;dAi、dAj分别是其上的微元外表,ni ,nj分别是两个微元面的法线方向,两外表间的间隔为r。cosdQIddAijijjjiJIrdAd,2;cos且根据辐射强度的定义式: 又根据立体角的定义: jiiijiijddAIdQcos,所以: jiA AjiiiiijiAijiiiiiijiiijijdAdArJAJdAdIAJAJdQAJQFiji2,coscos1cos1jid同理: jiA AjiiijdAdArAFij2coscos1ijA

15、AjijjidAdArAFij2coscos1所以: jijijiFAFA31角系数的五个性质。(1) 相对性2自见性 指一个物体外表向外辐射的能量,到达本身外表,或者说被本身外表拦截的百分数 jijijiFAFA对于平面和凸面: 0i iF对于凹面: 0iiF4.2 角系数性质角系数性质32角系数的完好性角系数的完好性对于有n个外表组成的封锁系统,据能量守恒可得:iNiiiiiQQQQQ21121iiNiiiiiiiQQQQQQQQNjiNiiiiijFFFFF1211(3) 完好性334兼顾性在恣意两物体1、3之间设置一透热体2,当不思索路程对辐射能的影响时,有: 1312FF物体1到2、

16、3的辐射能一样 34424323121FAFAFA5分解性当两个外表A1和A2之间辐射换热时,如单独把A1分解成A3和A4 ,单独把A2分解成A5和A6 ,有:161151121FAFAFA355 两个灰体之间的辐射换热两个灰体之间的辐射换热5.1 辐射换热热阻组成辐射网络的根本热阻1外表辐射热阻从外部看,向外界发出的辐射能为有效辐射 GAEAQ从内部看,物体外表辐射出去的净热量为 GEGEJ1由上两式可得有效辐射J: 11EQJA外表辐射的净热量Q: 1JAEAQbEE由于: 所以有: bbE AJAEQAJ11外表辐射热阻365.1 辐射换热热阻辐射换热热阻2空间辐射热阻 物体外表1辐射到

17、外表2的辐射能为121112FAJQ物体外表2辐射到外表1的辐射能为 212221FAJQ净辐射传热量为 21221211211212,FAJFAJQQQnetA FAJJJJF121211222111空间辐射热阻 37下面来分析两个等温漫灰外表封锁系统内的辐射换热情况。如下图,两个外表的净换热量为,QA J FA J F1 2111 2222 15.2 被透明介质隔开的两固体外表间的辐射换热被透明介质隔开的两固体外表间的辐射换热外表1发出的热辐射到达外表2的部分外表2发出的热辐射到达外表1的部分灰体外表灰体外表38于是有,bbEEQAA FA121 2121111 222111,()A FT

18、TQFF4411 2121 21 22 11211111根据前面导出的热阻,有:2121FA391 ,FF111201111221112112,AAAEEQbbnet有:2 0/21AA即A2无限大有:,bbQEEA1 211213 1/21AA有:1112112112,AEEQbbnet405.2 被透明介质隔开的两固体外表间的辐射换热被透明介质隔开的两固体外表间的辐射换热,()bbbbQA E FA EFA FEE1 2111 2222 111 212黑体系统的辐射换热黑体外表黑体外表 如下图,黑体外表如下图,黑体外表1和和2之间的辐射换热量为之间的辐射换热量为外表1发出的 热 辐 射到达

19、外表2的部分外表2发出的 热 辐 射到达外表1的部分41例:两无限长套管,内管和外管的温度分别是527和27,辐射率均为0.8,内管以热辐射方式传给外管的热量是1060W/m,内管直径是20mm,求:外管直径为多少? 解:内管向外管的辐射面积 ldA11外管向内管的辐射面积 ldA22,FF111201,bbnetTTAEEAQAAAA441211211211122122111111可以运用公式: ) 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节点1节点2节点3netQ12netQ23netQ13利用角系数的完好性、互换性和自见性可以求解方程。5.3 多外表系统辐射换热的计算多外表系统辐射换热的计算44留意: ( 1)节点的概念;(2)每个外表一个

21、外表热阻,每对外表一个空间热阻;(3)以及画电路图的一些根本知识1外表3为黑体的封锁体系 J3=Eb32有一个外表绝热的封锁体系2221221111211112112,111111AFAFAFAAEEQRRbbnet5.3 多外表系统辐射换热的计算多外表系统辐射换热的计算45A 画等效热阻图;B 列出各节点的热流方程组;C 求解方程组,以获得各个节点的等效辐射;D 利用公式 算每个外表的净辐射热流量。biiiiiiEJQA1总结上面过程,可以得到运用网络法的根本步骤如下:5.3 多外表系统辐射换热的计算多外表系统辐射换热的计算46例:一烘干漆的炉子截面为三角形(如下图),一外表为1200K,另一外表是绝热的

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