第九章 辐射换热Radiation Heat Transfer.ppt

第九章第九章 辐射换热辐射换热Radiation Heat Transfer1 9-1 热辐射的基本概念 辐射是热量传递的三种基本方辐射是热量传递的三种基本方式之一。式之一。在工农业生产和日常，生活在工农业生产和日常，生活中有大量的辐射问题。如太阳能中有大量的辐射问题。如太阳能等。等。2 辐射辐射(Radiation)：以电磁波传递能量的以电磁波传递能量的过程。过程。热辐射热辐射(Thermal Radiation)：由于热由于热的原因而发生的辐射。的原因而发生的辐射。热辐射是电磁波，具有一般电磁波的共性，热辐射是电磁波，具有一般电磁波的共性，即它是一光速在空间传播的。有下列关系成立：即它是一光速在空间传播的。有下列关系成立：式中：C 速度 3108m/s f 频率 s-1 波长 m(m)3Cosmic rays up to 410-7 mGamma rays 410-7 to 1.4 10-4 mX-rays 110-5 to 2 10-2 mUltraviolet rays 110-2 to 3.9 10-4 mVisible light 0.38 to 0.76 mInfrared rays 0.76 to 1000 mRadio and 1000 to 21010 m Hertzian waves Heat rays 0.1 to 100 m 电磁波谱电磁波谱(Electromagnetic spectrum)4 如图所示，热辐射，如图所示，热辐射，0.1100m；可见光，可见光，0.380.76 m。地球上地球上大部分物体大部分物体 2000K 0.38-100 m 大部分在大部分在0.76-20 m 太阳太阳 5762K的黑体的黑体 在在0.2-2m 0.76-20 m为红外线区域为红外线区域 近红外线近红外线(Near infrared)远红外线远红外线(Far infrared)。5 光辐射大家是熟悉的。当一束光投在一物光辐射大家是熟悉的。当一束光投在一物体上后，一部分被吸收，一部分被反射，还有一体上后，一部分被吸收，一部分被反射，还有一部分穿过物体。热辐射也有同样的性质。部分穿过物体。热辐射也有同样的性质。投射辐射投射辐射(Incident radiation or Irradiation)为为Q ,如图，其中：如图，其中：吸收：吸收：Q反射：反射：Q穿透：穿透：Q 由热力学第一定律：由热力学第一定律：或：或：Q热辐射的吸收、穿透和反射热辐射的吸收、穿透和反射6固体、液体：当辐射能进入其表面后，在极当辐射能进入其表面后，在极短的距离内就被吸收完了。金属导体，这个短的距离内就被吸收完了。金属导体，这个距离只有距离只有1微米的量级。大多数非导电材料，微米的量级。大多数非导电材料，这个距离小于这个距离小于1毫米。而是用工程材料都大毫米。而是用工程材料都大于这个数值，故可以认为固体和液体的于这个数值，故可以认为固体和液体的=0，于是：于是：则：吸收比(率)absorptivity反射比(率)reflectivity穿透比(率)transmissivity7 反射现象也同光一样，有镜面反射和漫反反射现象也同光一样，有镜面反射和漫反射之分，射之分，镜面反射：入射角镜面反射：入射角=反射角，反射角，表面粗糙度表面粗糙度波长波长 气体：当辐射投在气体上，它几乎没有反射当辐射投在气体上，它几乎没有反射能力，故可以认为能力，故可以认为=0，于是于是 固体，液体对辐射的吸收和反射都是在表面上进行的，固体，液体对辐射的吸收和反射都是在表面上进行的，而不涉及其内部，故表面的状况对辐射的影响是至关重要的。而不涉及其内部，故表面的状况对辐射的影响是至关重要的。气体的辐射和吸收都是在内部进行的，表面形状则无关紧要。气体的辐射和吸收都是在内部进行的，表面形状则无关紧要。899-2 黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律(Black Body Radiation)1.1.辐射力辐射力(EmissivePowerEmissivePower)：单位时间内物体的单位表面积向单位时间内物体的单位表面积向半球空间半球空间所所有方向发射出去的全部波长的辐射能量有方向发射出去的全部波长的辐射能量(W/mW/m2 2)。一、基本概念一、基本概念半球空间半球空间：dA辐射是向着它的上方各个辐射是向着它的上方各个方向的。如在上方做个半球，则方向的。如在上方做个半球，则dA发出的辐射能全部要通过这个发出的辐射能全部要通过这个半球空间，所以我们称半球空间，所以我们称dA以上的以上的空间为半球空间。空间为半球空间。10 2.光谱辐射力光谱辐射力(Monochromatic Emissive Power or Spectral Emissive Power)：单位面积辐射体在单位时间内向半球空间发射单位面积辐射体在单位时间内向半球空间发射的波长为的波长为(+d区间区间)的能量。的能量。为曲线下的总面积。如图11 二：黑体辐射的基本定律二：黑体辐射的基本定律 (Basic Law for Black Body Radiation)黑体辐射的理论是建立在如下几个基本定律基黑体辐射的理论是建立在如下几个基本定律基础上的，即：础上的，即：普朗克普朗克(Plank)定律定律(1900)维恩位移维恩位移(Wiens displacement)定律；定律；(1893热力热力 学理论得出）学理论得出）斯忒藩斯忒藩-波尔兹曼波尔兹曼(Stefan-Boltzman)定律（定律（1879实实验，验，1884热力学理论）热力学理论）兰贝特兰贝特(Lambert)定律定律。12 1.Planks Law(1900)：Eb-光谱辐射力光谱辐射力,W/m3；-波长波长,m；T -黑体热力学温度黑体热力学温度,K；e -自然对数的底；自然对数的底；c1 -第一辐射常量第一辐射常量,3.74210-16 W m2；c2 -第二辐射常量第二辐射常量,1.438 10-2m K。13由由Planck定律知定律知 E=f(,T)如图，如图，E有最大值有最大值 随着随着T 增大增大 max向左移动向左移动2.Wiens displacement Law 1893热力学理论得出热力学理论得出由由Planks Law对对 求导，并令求导，并令 14 如不是黑体，则不完全遵守这个定律，但其变化方向是相同的，例如金属（钢锭）：当T500C时，没有可见光，颜色不变；T 增大，其颜色分别为暗红、鲜红、桔黄和白色。例题例题例题例题7-17-1 试分别计算温度为试分别计算温度为20002000K K和和58005800K K的的黑体的最大单色黑体的最大单色辐射力所对应的波长。辐射力所对应的波长。解：解：解：解：应用应用WienWien位移定律位移定律 T=2000K T=2000K 时时 max=2.910-3/2000=1.45 mm T=5800K T=5800K 时时 max=2.910-3/5800=0.50 mm 常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区 太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区15 3.Stefan-Boltzman Lawn将将Planks Law积分即得积分即得式中：式中：为黑体辐射常数，其值为为黑体辐射常数，其值为5.67 10-8W/(m2K4)。为计算高温辐射的方便，可为计算高温辐射的方便，可改写为：改写为：式中，式中，C0为黑体辐射系数，为黑体辐射系数，5.67W/(m2K4)。16n 黑体辐射函数黑体辐射函数(Radiation Function or Fractional function)n 其数值见教材其数值见教材 第第176页表页表10-1定义：定义：于是：于是：17 在实际中，有时需求出某一特定波长的辐射能量。在实际中，有时需求出某一特定波长的辐射能量。由由Planck定律定律,黑体在波长至去段所发射出的辐射黑体在波长至去段所发射出的辐射能为：能为：18例题例题：试分别计算温度为1000K、1400K、3000K、6000K时可见光和红外辐射在黑体总辐射中所占的份额。辐射与颜色的关系：夏天穿白色衣服凉快，因为我们吸收的是太阳辐射(0.2-2 m)m)可见光占比例很大。可见光占比例很大。地球上物体的辐射不同，因温度低（地球上物体的辐射不同，因温度低（20002000K K）以下，多与颜色无关以下，多与颜色无关19 平面角如图平面角如图7-6，s为弧长，为弧长，r为半径。为半径。=s/r（rad）立体角如图立体角如图7-7，一个半球，在球面上取一个小面积，一个半球，在球面上取一个小面积，在这个面积周边向球心做射线，则这些射线所包围的空间即在这个面积周边向球心做射线，则这些射线所包围的空间即为立体角。立体角的度量用球面度。为立体角。立体角的度量用球面度。rs 平面角定义图平面角定义图4.4.Lamberts Law Lamberts Law 立体角立体角(Solid angleSolid angle)20 黑体的定向辐射强度与方向无关。黑体的定向辐射强度与方向无关。即即Lamberts Law问题：暖器取暖时与方向有关，太阳辐射与方向有关，是问题：暖器取暖时与方向有关，太阳辐射与方向有关，是问题：暖器取暖时与方向有关，太阳辐射与方向有关，是问题：暖器取暖时与方向有关，太阳辐射与方向有关，是否与否与否与否与Lamberts Law相矛盾？相矛盾？将定向辐射强度定义变形，得辐射能将定向辐射强度定义变形，得辐射能人与暖器得距离不变时，人与暖器得距离不变时，d const.dA=const.L()=const.角角度不同，度不同，cos不同。不同。当当=0时，辐射面获得的能量最多。时，辐射面获得的能量最多。故故Lamberts Law又称余弦定律又称余弦定律Cosine Law。219-3 灰体和基尔霍夫定律灰体和基尔霍夫定律特性特性l E=f(,T)不规则不规则l E Ebl不严格同不严格同T4成正比成正比l 不严格遵守不严格遵守Lambert Law22n实际物体辐射力并不严格的遵守四次方定律实际物体辐射力并不严格的遵守四次方定律n现行的处理方法是将所有物体的辐射力取与绝对温现行的处理方法是将所有物体的辐射力取与绝对温度的四次方成正比，而将由此引起的误差放到黑度度的四次方成正比，而将由此引起的误差放到黑度中修正。中修正。一、黑度（发射率）一、黑度（发射率）(Hemispherical or Total Emissivity)变形则有变形则有：23n由此可见：影响由此可见：影响的因素有：的因素有：物质种类：非金属物质种类：非金属0.90.9左右，金属左右，金属0.20.2以下；以下；表面状况：铝一般表面状况：铝一般0.20.2，高度磨光可达，高度磨光可达0.050.05；表面温度：表面温度：=(T T)，E Eb b=E Eb b(T T)。即只与本身情况有关而与外界条件无关。即只与本身情况有关而与外界条件无关。n实际物体黑度的确定实际物体黑度的确定 复杂，使用法向黑度复杂，使用法向黑度 将实际表面近似为扩散表面（符合Lamberts Law）高度磨光的金属表面 其它光滑表面 表面粗糙物体24二、二、灰体灰体(Gray Body)定义：定义：()与波长无关的物体。与波长无关的物体。生活中没真正的灰体生活中没真正的灰体 常用热辐射常用热辐射(0.76-10 m红外线红外线)。这种处理而引起的误差。这种处理而引起的误差是可以接受的是可以接受的 如不特别说明，实际物体都做灰体处理。如不特别说明，实际物体都做灰体处理。25三、三、基尔霍夫定律基尔霍夫定律(Kirchhoffs Law)如图，两块距离很近的大平板，板如图，两块距离很近的大平板，板1为黑为黑体，板体，板2为任意物体。则板为任意物体。则板2吸热量吸热量当系统处于热平衡时，当系统处于热平衡时，q=0，T1=T2，则：则：此式可以推到所有物体，即此式可以推到所有物体，即在热平衡时，任意物体的辐射力和它对来自黑体辐射的吸收在热平衡时，任意物体的辐射力和它对来自黑体辐射的吸收率的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。率的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。Kirchhoffs Law26Kirchhoffs Law 告诉我们：告诉我们：(1).T一定时，一定时，E 增大，增大，增大，且增大，且 E；(2).EEb，E/=Eb=Eb/b 1(b=1)；(3).=E/Eb=，即即=为为Kirchhoffs Law的另一种表达形的另一种表达形式。式。对于单色辐射，对于单色辐射，Kirchhoffs Law也适用，即也适用，即 =。将将Kirchhoffs Law应用于灰体，则有应用于灰体，则有：(1).=()=const.，=()=const.(2).=而而 只与自身状况有关，故只与自身状况有关，故 也只与自身状况有关。也只与自身状况有关。279-4 组成封闭空间的两灰体之间的组成封闭空间的两灰体之间的辐射换热辐射换热28一、角系数的概念一、角系数的概念1.定义定义角系数角系数(Shape factor)：表面表面1发出的辐射能中落发出的辐射能中落到表面到表面2上的分额，称为表面上的分额，称为表面1对表面对表面2的角系数，的角系数，记为记为X1，2。由定义知由定义知 1-2 1,，0 X1，2 1 一般一般 X1，2 X2，1 计算式计算式 29 满足二个条件：满足二个条件：漫射，漫射，L L均匀分布均匀分布 黑体和灰体都满足黑体和灰体都满足 实际物体当灰体，这样处理误差不大实际物体当灰体，这样处理误差不大 此时，角系数只是几何量此时，角系数只是几何量121 22.几个特殊位置的角系数几个特殊位置的角系数同一平面上的两个表面x1.2=x2.1=0两个无限大平板x1.2=x2.1=1两个互相看不见的表面x1.2=x2.1=0303.角系数的性质角系数的性质 相对性相对性 完整性：对于完整性：对于n个面组成的封闭系统个面组成的封闭系统 可加性：可加性：31表面表面1 1发出的能量为发出的能量为12到达表面到达表面2的能量为的能量为表面表面2是黑体将吸收这些热量是黑体将吸收这些热量同理，表面同理，表面1吸收来自表面吸收来自表面2的热量为的热量为净交换热量净交换热量由角系数的相对性由角系数的相对性热电比拟：热电比拟：空间辐射热阻空间辐射热阻geometric resistance二、被透明介质隔开的两黑体表面间的辐射换热二、被透明介质隔开的两黑体表面间的辐射换热32 工程上常常将实际物体看成为灰体，所以本节工程上常常将实际物体看成为灰体，所以本节讨论的方法可用于工程计算讨论的方法可用于工程计算三、被透热介质隔开的两表面构成封闭系统的辐射换热三、被透热介质隔开的两表面构成封闭系统的辐射换热331.投入辐射投入辐射(irradiation)：单位时间内投射到表面的单位单位时间内投射到表面的单位面积上的总辐射能，记为面积上的总辐射能，记为G。由图得：由图得：2.有效辐射有效辐射(radiaosity)：单位时间内离开表面的单位面单位时间内离开表面的单位面积的总辐射能，记为积的总辐射能，记为J。表面表面1失热失热消去消去G解得解得34乘以表面积乘以表面积改写成改写成热电比拟：热电比拟：表面辐射热阻表面辐射热阻3、被透热介质隔开的两表面构成封闭系统的辐射换热、被透热介质隔开的两表面构成封闭系统的辐射换热表面表面1，2间的辐射换热量间的辐射换热量空间辐射热阻空间辐射热阻35系统中只有两个表面，故解出系统黑度36三、几个特例三、几个特例1.表面1非凹，X1,2=1暖器、管道与房间2.表面1非凹，X1,2=1，且A1/A21无限大平板，保温瓶胆3.表面1非凹，X1,2=1，且A1/A20大房间的管道、小物体、热电偶四、辐射换热网络图四、辐射换热网络图 thermal circuit37例题例题 10-3 液氧储存容器为双壁镀银的夹层结构，外壁内表面温度tw1=20，内壁外表面温度tw2=-183，镀银壁的发射率=0.02,试计算由于辐射换热每单位面积容器壁的散热量。解：解：因容器夹层的间隙很小，可认为属于无限大平行表面间的辐射换热问题。38例题例题8-4 一根直径d=50mm，长度l=8m的钢管，被置于横断面为 0.2 m0.2m 的砖槽道内。若钢管温度和发射率分别为t1=250，1=0.79砖槽壁面温度和发射率分别为t2=250，2=0.93，试计算该钢管的辐射热损失。解：解：因表面1非凹，可直接应用式(8-15)计算钢管的辐射热损失393.遮热板(radiation shield)遮热板：插入两辐射换热面之间的薄板。如果各板黑度相同，在加遮热板之前，两无限大平板之间的换热量1 2 3 T1 T2 T3 忽略了薄板3的导热热阻 传热量减少了一半 如果3=0.05,1=2=0.8 辐射热量为原来的1/27上二式相加，注意404.遮热板的应用41