傳熱學(xué)chapter8.ppt

1、傳熱學(xué)C Heat Transfer,第八章 輻射傳熱,傳熱學(xué)C Heat Transfer,8-1 熱輻射的基本概念,一、輻射及熱輻射,輻射是物體通過電磁波傳遞能量的現(xiàn)象。,輻射有很多種形式，它們的區(qū)別是導(dǎo)致發(fā)射電磁波的激勵方式不同，而外在表現(xiàn)是輻射的波長不一樣，以及吸收該輻射能量后引起的效應(yīng)不同。,熱輻射是物體由于熱的原因所產(chǎn)生的輻射。它的作用：物體吸收輻射能后將其轉(zhuǎn)變成自身的內(nèi)能。波長范圍：0.1100m,傳熱學(xué)C Heat Transfer,傳熱學(xué)C Heat Transfer,可見光的波長范圍：0.380.76m,紫 藍 青 綠 黃 橙 赤,傳熱學(xué)C Heat Transfer,二、

2、輻射與導(dǎo)熱、對流的區(qū)別,傳遞方式不同 導(dǎo)熱和對流需要媒介，輻射換熱不需要中間介質(zhì)。,2. 輻射換熱過程存在能量形式的轉(zhuǎn)換,熱能電磁能,電磁能熱能,3. 輻射表面具有方向性和選擇性,輻射換熱屬于表面的物理過程，在換熱表面的不同方向強度不一定相同，且與波長分布有關(guān)。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,三、吸收、反射和透射,周圍物體在單位時間內(nèi)投射到物體單位表面積上的輻射能。用G表示，單位W/m2 。,1、投射輻射,被物體吸收、反射和透射的部分所占總投射輻射的份額分別稱為吸收比、反射比 和透射比 。,2、吸收比、反射比和透射比,傳熱學(xué)C Heat Transfer,視物體表面狀況（平整程度）和投

3、入輻射的波長，表面的反射又分為鏡反射和漫反射。,3、鏡反射和漫反射,漫反射是把來自任意方向、任意波長的投入輻射以均勻的強度（不是“能量”）反射到半球空間所有方向上去。,(a)鏡反射,(b)漫反射,注：除了經(jīng)特殊處理的金屬表面，大 部分工程材料均可視為漫射表面。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,吸收比 = 1的物體稱為黑體。,4、黑體、白體和透明體,黑體、白體和透明體都是理想物體，自然界中并不存在，主要用它們作為研究輻射規(guī)律的參照物。特別是黑體的概念，是整個熱輻射研究和工程應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。,反射比 = 1的物體稱為白體（或鏡體）。,透射比 = 1的物體稱之為透明體。,傳熱學(xué)C Heat T

4、ransfer,四、輻射力和有效輻射,1、輻射力,在單位時間內(nèi)物體單位面積上向半球空間所有方向發(fā)射的全部波長范圍內(nèi)的輻射能稱為輻射力，用符號E表示，單位為W/m2。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,2、有效輻射,單位時間離開單位面積的總輻射能為有效輻射，記為J 。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,五、定向輻射度,(1) 立體角,是指球面上的面積與球心所對應(yīng)的空間角度。立體角的單位叫球面度，用Sr表示。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,(2) 可見輻射面積,是指從空間某方向所看到的表面有效面積。如右圖中的可見輻射面積為：,傳熱學(xué)C Heat Transfer,(3) 定向輻射度

5、,單位時間內(nèi),單位可見輻射面積在空間指定方向的單位立體角內(nèi)所發(fā)出的總輻射能量。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,8-2 黑體輻射的基本定律,一、黑體與黑體模型,黑體是吸收比等于1的理想物體。它具有同溫度下輻射能力最大的性質(zhì)。,盡管在自然界并不存在黑體，但用人工的方法可以制造出十分接近于黑體的模型。如：空腔上的小孔。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,二、普朗克定律,普朗克定律:確定了黑體輻射的光譜分布規(guī)律。,C1普朗克第一常數(shù)，C1= 3.74210-16 Wm2 ; C2普朗克第二常數(shù)， C2 = 1.43910-2 mK。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,二、普朗克定律,光

6、譜輻射力：,傳熱學(xué)C Heat Transfer,根據(jù)黑體輻射曲線可以得以下規(guī)律：,(1) 溫度愈高，同一波長下的光譜輻射力愈大；,(2) 在一定的溫度下，黑體的光譜輻射力隨波長連續(xù)變化，并在某一波長下具有最大值；,(3) 隨著溫度的升高，光譜輻射力取得最大值的波長max愈來愈小，即在坐標中的位置向短波方向移動。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,維恩位移定律,mK,計算溫度分別為300K和5800K時最大光譜輻射力所對應(yīng)的波長max。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,三、斯忒藩-玻耳茲曼定律,黑體輻射的輻射力與溫度的關(guān)系遵循斯忒藩-波爾茲曼定律：,傳熱學(xué)C Heat Transfe

7、r,波段范圍內(nèi)輻射力的計算,為了計算上式，先計算（0)的輻射占總輻射力的百分比：,表8-2給出了黑體輻射函數(shù)表，即 f( T)的數(shù)值。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,傳熱學(xué)C Heat Transfer,例題：計算太陽輻射中可見光所占的比例。,解：太陽可認為是表面溫度為T = 5762 K的黑體，可見光的波長范圍是0.380.76m ，即1 = 0.38 m , 2 = 0.76 m , 于是,mK,mK,由黑體輻射函數(shù)表可查得,可見光所占的比例為,傳熱學(xué)C Heat Transfer,一、實際物體的光譜輻射力 和光譜發(fā)射率,8-3 實際物體和灰體的輻射,傳熱學(xué)C Heat Trans

8、fer,二、實際物體的輻射力 和發(fā)射率,傳熱學(xué)C Heat Transfer,三、實際物體的定向輻射度 和定向發(fā)射率,幾種非金屬材料的定向發(fā)射率,幾種金屬材料的定向發(fā)射率,傳熱學(xué)C Heat Transfer,部分常見材料表面的法向發(fā)射率,傳熱學(xué)C Heat Transfer,四、實際物體的光譜吸收比,設(shè)下標1、2分別代表所研究的物體和產(chǎn)生投入輻射的物體，則物體1的吸收比為,傳熱學(xué)C Heat Transfer,物體的吸收比除與自身表面性質(zhì)的溫度有關(guān)外，還與投入輻射按波長的能量分布有關(guān)。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,實際物體的光譜吸收比對投入輻射的波長有選擇性這一情況給輻射換熱的工程

9、計算帶來很多不便。,五、灰體,光譜吸收比與波長無關(guān)的理想物體稱為灰體。,在紅外線的輻射范圍內(nèi)大多數(shù)工程材料可以當作灰體處理。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,六、基爾霍夫定律,基爾霍夫定律給出了實際物體輻射能力與吸收能力的關(guān)系。,列出處于熱平衡時，實際物體2的能量收支關(guān)系。,熱平衡時：,傳熱學(xué)C Heat Transfer,七、關(guān)于基爾霍夫定律和灰體的幾點說明,1、根據(jù)基爾霍夫定律，物體的輻射能力越大，其吸收能力也越大。換句話，善于輻射的物體必善于吸收。,2、對于工程問題而言，只要在所研究的波長范圍內(nèi)光譜吸收比基本上與波長無關(guān)，則灰體的假定是成立的。,3、當研究物體表面對太陽能的吸收時，

10、一般不能把物體當作灰體處理。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,8-4 角系數(shù)的定義、性質(zhì)和計算,一、角系數(shù)的定義,兩個表面的輻射換熱量與兩個表面之間的相對位置有很大關(guān)系。如圖所示：,我們把從表面1發(fā)出的輻射能中落到表面2上的百分數(shù),稱為表面1對表面2的角系數(shù),記為X1,2,傳熱學(xué)C Heat Transfer,二、角系數(shù)的性質(zhì),1、角系數(shù)的相對性,對于兩個黑體表面：,傳熱學(xué)C Heat Transfer,在幾個表面組成的封閉系統(tǒng)中，任一個表面對封閉腔各個表面的角系數(shù)之和等于1。,2、角系數(shù)的完整性,傳熱學(xué)C Heat Transfer,3、角系數(shù)的分解性,傳熱學(xué)C Heat Transfer,4、代數(shù)法求角系數(shù),利用角系數(shù)的相對性、完整性及可加性來獲得角系數(shù)的方法。,傳熱學(xué)C Heat Transfer,傳熱學(xué)C Heat Transfer,8-5 兩個表面間的輻射換熱,一、黑體表面間的輻射換熱計算,空間輻射熱阻,傳熱學(xué)C Heat Transfer,二、有效輻射,單位時間離開單位面積的總輻射能為有效輻射，記為J 。,物體表面與外間的輻射換熱量與有效輻射J 之間的關(guān)系：,表面輻射熱阻,傳熱學(xué)C Heat Transfer,采用有效輻射的概念，任意兩個表面的輻射換熱量可表示成：,三、兩個漫灰表面組成封閉系統(tǒng)的輻射換熱,空