《热辐射和辐射换热》课件

热辐射和辐射换热热辐射概述热辐射是物体由于自身温度而产生的能量辐射。太阳辐射是地球上最重要的热源之一，它为地球提供热量。燃烧的火焰、熔化的金属都会产生热辐射。热辐射的物理本质热辐射是物体由于其内部粒子的热运动而产生的电磁辐射。所有温度高于绝对零度的物体都会发出热辐射。热辐射的能量随着物体的温度升高而增加，其波长范围从红外线到可见光，再到紫外线，取决于物体的温度。热辐射的物理本质是：原子或分子中的电子在热运动下跃迁到更高的能级，然后跃迁回较低的能级，并以光子的形式释放能量。这些光子就是热辐射。热辐射的能量大小与原子或分子的温度、种类以及物体的表面性质有关。黑体辐射定律1黑体完美吸收和发射所有波长辐射的理想物体。2辐射强度黑体在特定温度下辐射出的能量随波长变化的规律。3维恩位移定律黑体辐射强度的峰值波长与温度成反比。4斯蒂芬-玻尔兹曼定律黑体辐射的总能量与温度的四次方成正比。斯蒂芬-玻尔兹曼定律该定律指出，黑体辐射能与绝对温度的四次方成正比。普朗克辐射定律描述黑体在特定温度下发射出的电磁辐射能量与波长之间的关系表达式Mλ=C1λ^-5/(e^(C2/λT)-1)应用计算黑体辐射能量、分析辐射特性、研究辐射换热夸尔斯定律1辐射强度描述了物体在特定方向上的辐射能量。2立体角表示物体表面积在单位球面上的投影面积。3方向性反映了物体辐射能量在不同方向上的分布。灰体概念黑体黑体是指能够完全吸收所有入射辐射的物体，其辐射特性只与温度有关。灰体灰体是指其辐射特性与温度和波长无关的物体，其吸收率和发射率都与波长无关，但与温度有关。灰体辐射特性吸收率反射率透射率灰体的辐射特性可以用吸收率、反射率和透射率来描述。不同物体的辐射特性不同物体的辐射特性取决于材料的性质、表面状况和温度。例如，黑色物体比白色物体辐射能量更多；粗糙表面比光滑表面辐射能量更多；温度越高，辐射能量也越大。辐射换热的定义热量传递方式辐射换热是热量传递的三种基本方式之一，其他两种为对流换热和传导换热。能量传递机制通过电磁波的形式，将热量从高温物体传递到低温物体，无需介质参与。辐射换热的表达式1基本公式q=σA(T14-T24)2考虑视因子q=σA1F12(T14-T24)3包含发射率q=σA1ε1F12(T14-T24)视因子的概念定义视因子表示两个表面之间相互辐射能量的比例，即一个表面辐射出的总能量中，有多少能量到达了另一个表面。表示符号视因子通常用字母"F"表示，例如F1-2表示表面1到表面2的视因子。影响因素视因子主要受两个表面的几何形状、相对位置和方向的影响。视因子的计算方法1直接计算法根据几何关系直接计算2图解法利用视因子图解进行求解3数值积分法利用计算机数值积分方法计算视因子的特点几何形状的影响视因子取决于物体的几何形状和相对位置。形状越复杂，计算视因子越困难。相互性两个表面之间的视因子满足相互性原理，即一个表面对另一个表面的视因子等于另一个表面对第一个表面的视因子乘以它们的面积之比。总和一个表面对所有其他表面的视因子之和等于1，这意味着从一个表面发出的所有辐射都必须到达其他表面。辐射交换分析方法网络法通过构建辐射网络图，分析节点之间的辐射热交换。角系数法利用几何关系计算物体之间的辐射热交换量。积分法基于辐射强度的积分方程，精确计算辐射热交换。辐射与对流换热的比较辐射传热通过电磁波传递热量，不需要介质。对流传热通过流体运动传递热量，需要介质。辐射传热在工业中的应用辐射传热在工业领域广泛应用，例如：工业炉:用于金属的加热、熔化和热处理。陶瓷烧制:高温辐射用于烧制陶瓷产品。干燥设备:利用红外辐射快速干燥物料。食品加工:辐射加热用于食品的杀菌和烘烤。工业炉的辐射传热分析1热量传递炉膛内高温气体和炉壁间的辐射传热2温度分布炉膛内温度场和热流分布3热效率辐射传热对炉体热效率的影响金属表面的辐射特性高反射率金属表面通常具有较高的反射率，这意味着它们反射的能量比吸收的能量更多。低发射率由于反射率高，金属表面的发射率往往较低，这意味着它们辐射的能量也较少。表面状态影响金属表面的辐射特性会受到表面状态的影响，例如表面粗糙度、氧化层和污染物的存在。涂层对辐射特性的影响反射率涂层材料的反射率决定了它反射多少热辐射。高反射率的涂层可以有效地降低物体表面温度。发射率涂层材料的发射率决定了它发射多少热辐射。高发射率的涂层可以有效地增加物体表面温度。热阻涂层材料的热阻决定了它阻挡多少热量传递。高热阻的涂层可以有效地降低热量传递速率。辐射传热在建筑中的应用建筑设计中，辐射传热是影响建筑物热舒适性和能耗的重要因素之一。例如，玻璃幕墙建筑会吸收大量的太阳辐射，导致室内温度升高，增加空调负荷。合理的建筑设计，例如采用高反射率的建筑材料，可以有效减少太阳辐射的吸收，降低室内温度，节约能源。温室大棚的辐射换热分析1太阳辐射太阳光通过透明棚膜进入温室，为作物提供热量。2地面辐射温室地面吸收太阳辐射，并向棚膜和作物辐射热量。3棚膜辐射棚膜吸收部分太阳辐射，并向温室内部辐射热量。4作物辐射作物吸收部分太阳辐射，并向周围环境辐射热量。人体的辐射热交换人体辐射人体是一个不连续的辐射体，其辐射特性受皮肤温度、表面积和发射率的影响。环境辐射周围环境也会向人体辐射热量，其温度和表面积影响辐射热交换。辐射平衡人体的热平衡取决于辐射热量的吸收和释放，在不同环境温度下，辐射热交换起着重要的作用。环境中辐射传热的分析环境因素辐射传热的影响太阳辐射地面和物体吸收太阳辐射，升温大气层辐射大气层对地表辐射的吸收和再辐射，影响地表温度云层影响云层对太阳辐射和地面辐射的反射和吸收，影响地表温度建筑物和地面建筑物和地面之间相互辐射，影响室内和室外温度太阳能的辐射特性光谱分布太阳辐射主要集中在可见光和近红外区域，波长范围为0.3-3微米。能量强度太阳辐射的能量强度取决于太阳高度角和大气衰减，在地球表面通常为1000瓦/平方米。方向性太阳辐射是方向性的，它从太阳方向传播，并随着太阳高度角的变化而变化。地球大气层的辐射平衡30温度地球平均气温约为15摄氏度。70吸收大气层吸收了约70%的太阳辐射。30反射大气层反射了约30%的太阳辐射。温室效应和全球变暖1大气层中的温室气体二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等温室气体可以吸收地球表面释放的红外辐射，导致地球温度升高。2人类活动的影响化石燃料燃烧、森林砍伐等人类活动增加了温室气体排放，加剧了温室效应。3全球变暖的危害海平面上升、极端天气事件增多、生物多样性减少等，对人类社会和自然生态系统造成严重威胁。结论与展望热辐射