自然对流换热课件

第十一章第十一章 辐射换热辐射换热1 第第八八章章已已指指出出，热热辐辐射射是是热热量量传传递递的的基基本本方方式式之之一一，以以热热辐辐射射方方式式进进行行的的热热量量交交换换称称为为辐辐射射换换热热。辐辐射射换换热热在在热热能能动动力力工工程程、核核能能工工程程、冶冶金金、化化工工、航航天天、太太阳阳能能利利用用、干干燥燥技技术术以以及及日日常常生生活活中中的的加加热热、供供暖暖等等方方面面具具有有非非常广泛的应用常广泛的应用。本本章章主主要要从从宏宏观观的的角角度度介介绍绍热热辐辐射射的的基基本本概念、基本定律以及辐射换热的计算方法。概念、基本定律以及辐射换热的计算方法。第十一章 辐射换热1 第八章已指出，热辐射是热量传递的11-1 热辐射的基本概念 21.吸收、反射与透射 投投入入辐辐射射:单单位位时时间间内内投投射射到到单单位位面面积积物物体体表表面面上上的的全全波波长长范范围围内的辐射能。内的辐射能。G W/m2 反射辐射反射辐射:G W/m2 吸收辐射吸收辐射:G W/m2 透射辐射透射辐射:G W/m2 11-1 热辐射的基本概念 21.吸收、反射与透射 3吸收比吸收比 反射比反射比透射比透射比 根据能量守恒根据能量守恒，如果投入辐射是某一波长如果投入辐射是某一波长的辐射能的辐射能G ，则，则 光谱吸收比光谱吸收比 光谱反射比光谱反射比 光谱透射比光谱透射比 与与 的关系：的关系：3吸收比 反射比透射比 根据能量守恒，如果投入辐射是某一波 不不仅仅取取决决于于物物体体的的性性质质，还还与与投投射射辐辐射射能能的波长分布有关。的波长分布有关。4 注意：（1 1）属属于于物物体体的的辐辐射射特特性性，取取决决于于物物体的种类、温度和表面状况，是波长的函数。体的种类、温度和表面状况，是波长的函数。（2 2）固固体体和和液液体体对对辐辐射射能能的的吸吸收收和和反反射射基基本本上上属属于于表表面面效效应应：金金属属的的表表面面层层厚厚度度小小于于1 1m；绝绝大大多多数数非金属的非金属的表面层厚度小于表面层厚度小于1 1mm。（3 3）对于）对于固体和液体固体和液体，。镜反射镜反射与与漫反射漫反射：产产生生何何种种反反射射决决于于物物体体表表面面的的粗粗糙糙程程度度和和投投射射辐辐射射能的波长能的波长 。不仅取决于物体的性质，还与投射辐射能的52.灰体与黑体 灰体灰体：注意注意：黑体、白体与黑色、白色物体的区别。：黑体、白体与黑色、白色物体的区别。光光谱谱辐辐射射特特性性不不随随波波长长而而变变化化的的假假想想物物体体，即即 分别等于常数。分别等于常数。绝对黑体绝对黑体：吸吸收收比比=1的的物物体体，简简称称黑黑体体。黑黑体体和灰体一样，是一种理想物体。和灰体一样，是一种理想物体。人工黑体模型人工黑体模型：镜体镜体（漫反射时称为白体）：（漫反射时称为白体）：=1 绝对透明体绝对透明体 ：=1 52.灰体与黑体 灰体：注意：黑体、白体与黑色、白色63.辐射强度 辐辐射射强强度度说说明明物物体体表表面面在在空空间间某某个个方方向向上上发发射射辐辐射能的多少。射能的多少。立体角立体角：半半径径为为r的的球球面面上上面面积积A与与球球心心所所对应的空间角度，对应的空间角度，单位为单位为Sr（球面度球面度）（，）方方向向上上的的微微元元面面积积 dA2对对球球心心所所张的微元立体角张的微元立体角 63.辐射强度 辐射强度说明物体表面在空间某个方向7辐射强度辐射强度：单单位位时时间间内内从从单单位位投投影影面面积积（可可见见面面积积）所所发发出的包含在出的包含在单位立体角单位立体角内的所有波长的辐射能。内的所有波长的辐射能。称称为为dA1在在（，）方方向向的的辐辐射射强强度度，或或称称为为定定向辐射强度向辐射强度，单位是，单位是W/(m2Sr)。7辐射强度：单位时间内从单位投影面积（可见面积）所发8 辐辐射射强强度度的的大大小小不不仅仅取取决决于于物物体体种种类类、表表面面性性质质、温温度度，还还与与方方向向有有关关。对对于于各各向向同同性性的的物物体体表表面面，辐辐射射强度与角强度与角 无关，无关，。光谱辐射强度光谱辐射强度：某某波波长长辐辐射射能能的的辐辐射射强强度度称称为为该该波长的波长的光谱辐射强度光谱辐射强度。辐射强度辐射强度与与光谱辐射强度光谱辐射强度之间的关系之间的关系 光谱辐射强度光谱辐射强度的单位为的单位为W/(m3Sr)或或W/(m2mSr)。8 辐射强度的大小不仅取决于物体种类、表面性质、温度，9 4.辐射力 辐辐射射力力：在在单单位位时时间间内内，每每单单位位面面积积表表面面向向半半球球空空间间发射的发射的全部波长全部波长的辐射能的辐射能，用用E表示，单位为表示，单位为W/m2。光谱辐射力光谱辐射力：单单位位时时间间内内，单单位位面面积积物物体体表表面面向向半半球球空空间间发发射射的的某某一一波波长长的的辐辐射射能能，用用E表表示示，单单位位为为W/m3。辐射力辐射力与与光谱辐射力光谱辐射力之间的关系之间的关系 定向辐射力定向辐射力：在在单单位位时时间间内内，单单位位面面积积表表面面向向某某方方向向发发射射的的单单位位立立体体角角内内的的辐辐射射能能，用用E表表示示，单单位位为为W/(m2sr)。9 4.辐射力 辐射力：在单位时间内，每单位面10定向辐射力定向辐射力与与辐射力辐射力之间的关系：之间的关系：定向辐射力定向辐射力与与辐射强度辐射强度之间的关系：之间的关系：辐射力辐射力与与辐射强度辐射强度之间的关系：之间的关系：10定向辐射力与辐射力之间的关系：定向辐射力与辐射强度之间11-2 11-2 黑体辐射的基本定律 111.1.普朗克普朗克（Planck）定律定律 2.2.斯忒藩斯忒藩-玻耳兹曼玻耳兹曼（Stefan-Boltzmann）定律定律 3.3.兰贝特兰贝特（Lambert）定律定律11-2 黑体辐射的基本定律 111.普朗克（Planck121.普朗克定律C1=3.74310-16 Wm2;C2=1.43910-2 mK。特点特点：（1 1）温温度度愈愈高高，同同一一波长下的光谱辐射力愈大；波长下的光谱辐射力愈大；（2 2）在在一一定定的的温温度度下下，黑黑体体的的光光谱谱辐辐射射力力在在某某一一波长下具有最大值；波长下具有最大值；（3 3）随随着着温温度度的的升升高高，Eb取取得得最最大大值值的的波波长长max愈来愈小，即在愈来愈小，即在坐标中的位置向短波方向移动。坐标中的位置向短波方向移动。121.普朗克定律C1=3.74310-16 Wm13维恩维恩（Wien）位移定律位移定律:太太阳阳表表面面温温度度约约为为5800 K，由由上上式式可可求求得得max=0.5 m，位位于于可可见见光光范范围围内内，可可见见光光占占太太阳阳辐辐射射能能的的份份额额约为约为44.6%。对对于于2000 K温温度度下下黑黑体体,可可求求得得max=1.45 m，位位于于红外线红外线范围内。范围内。2.斯忒藩-玻耳兹曼定律 斯忒藩斯忒藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律表达式：表达式：式式中中=5.6710-8 W/(m2K4)，称称为为斯斯忒忒藩藩-玻玻耳耳兹兹曼曼常常量量(数数)，又称为，又称为黑体辐射常数黑体辐射常数。（四次方定律四次方定律）13维恩（Wien）位移定律:太阳表面温度约为5814 斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律表达式可直接由下式导出表达式可直接由下式导出 ：波段辐射力波段辐射力 波段辐射力波段辐射力 占黑体辐射力占黑体辐射力Eb的百分数的百分数 14 斯忒藩玻耳兹曼定律表达式可直接由下式导出：15 根据普朗克定律表达式，根据普朗克定律表达式，f(T)称称为为黑黑体体辐辐射射函函数数，表表示示温温度度为为T 的的黑黑体体所所发发射射的辐射能中在波段的辐射能中在波段0内的辐射能所占的百分数。内的辐射能所占的百分数。利利用用黑黑体体辐辐射射函函数数数数值值表表（309309页页表表11111 1）可可以以很很容容易易地地用用下下式式计计算算黑黑体体在在某某一一温温度度下下发发射射的的任任意意波波段的辐射能量段的辐射能量：15 根据普朗克定律表达式，f(T)称为黑体辐射函163.兰贝特定律 兰兰贝贝特特定定律律:黑黑体体的的辐辐射射强强度度与与方方向向无无关关，半半球球空空间各方向上的辐射强度都相等。间各方向上的辐射强度都相等。漫发射体漫发射体：空间空间各个方向上辐射强度各个方向上辐射强度都相等的物体。都相等的物体。根据定向辐射力与辐射强度的关系根据定向辐射力与辐射强度的关系 En为为表表面面法法线线方方向向的的定定向向辐辐射射力力。兰兰贝贝特特定定律律也也称称为为余余弦定律弦定律。根据辐射力与辐射强度的关系可求得根据辐射力与辐射强度的关系可求得 163.兰贝特定律 兰贝特定律:黑体的辐射强度与方向1711-3 实际物体的辐射特性，基尔霍夫定律1.实际物体的发射特性 发射率（黑度）发射率（黑度）：发射率反映了物体发射辐射能的能力的大小。发射率反映了物体发射辐射能的能力的大小。光谱发射率光谱发射率（光谱黑度光谱黑度）：）：发射率发射率与与光谱发射率光谱发射率之间的关系为之间的关系为 对于灰体对于灰体，常数常数，1711-3 实际物体的辐射特性，基尔霍夫定律1.实际物体18 实实际际物物体体的的光光谱谱辐辐射射力力随随波波长长的的变变化化规规律律不不同同于于黑黑体和灰体体和灰体，实际物体的光谱发射率是波长的函数。实际物体的光谱发射率是波长的函数。在在工工程程计计算算中中，实实际际物物体的辐射力可以由下式计算体的辐射力可以由下式计算：实实际际物物体体的的辐辐射射力力并并不不严严格格遵遵循循四四次次方方定定律律，所所存存在在的的偏偏差差包包含含在在由由实实验验确确定定的发射率数值之中。的发射率数值之中。定向发射率定向发射率（定向黑度定向黑度）：）：实实际际物物体体不不是是漫漫发发射射体体，定定向向发射率发射率是方向角是方向角 的函数。的函数。18 实际物体的光谱辐射力随波长的变化规律不同于黑体和19几种非金属材料的定向发射率几种非金属材料的定向发射率 金属金属非金属非金属 实实际际物物体体发发射射率率数数值值大大小小取取决决于于材材料料的的种种类类、温温度度和和表表面面状状况况，通通常常由由实实验验测测定。定。半球总发射率19几种非金属材料的定向发射率 金属非金属 实际物体发202.实际物体的吸收特性 实实际际物物体体的的光光谱谱吸吸收收比比也也与与黑黑体体、灰灰体体不不同同，是是波长的函数。波长的函数。几种金属材料的光谱吸收比几种金属材料的光谱吸收比202.实际物体的吸收特性 实际物体的光谱吸收比也21 辐辐射射特特性性随随波波长长变变化化的的性性质质称称为为辐辐射射特特性性对对波波长长的的选选择择性性。实实际际物物体体的的吸吸收收比比不不仅仅取取决决于于物物体体本本身身材材料料的的种种类类、温温度度及及表表面面性性质质，还还和和投投入入辐辐射射的的波波长长分分布有关，因此和投入辐射能的发射体温度有关。布有关，因此和投入辐射能的发射体温度有关。几种非金属材料的光谱吸收比几种非金属材料的光谱吸收比21 辐射特性随波长变化的性质称为辐射特性对波长的选择22 工工程程上上的的热热辐辐射射主主要要位位于于0.7610 m的的红红外外波波长长范范围围内内，绝绝大大多多数数工工程程材材料料的的光光谱谱辐辐射射特特性性在在此此波波长长范范围围内内变变化化不不大大，因因此此在在工工程程计计算算时时可可以以近近似似地地当当作作灰灰体处理体处理。一一些些材材料料对对黑黑体体辐辐射射的的吸吸收比随黑体温度的变化。收比随黑体温度的变化。22 工程上的热辐射主要位于0.7610 233.基尔霍夫基尔霍夫（G.R.Kirchhoff）定律 基基尔尔霍霍夫夫定定律律揭揭示示了了物物体体吸吸收收辐辐射射能能的的能能力力与与发发射辐射能的能力射辐射能的能力之间的关系，其表达式为之间的关系，其表达式为 说说明明吸吸收收辐辐射射能能能能力力愈愈强强的的物物体体的的发发射射辐辐射射能能能能力力也也也也愈愈强强。在在温温度度相相同同的的物物体体中中，黑黑体体吸吸收收辐辐射射能能的能力最强，发射辐射能的能力也最强。的能力最强，发射辐射能的能力也最强。对于对于漫射体漫射体，辐射特性与方向无关，辐射特性与方向无关，对于对于漫射、灰体漫射、灰体，辐射特性与波长无关，辐射特性与波长无关，233.基尔霍夫（G.R.Kirchhoff）定律 24 对对于于工工程程上上常常见见的的温温度度范范围围（T2000 K），大大部部分分辐辐射射能能都都处处于于红红外外波波长长范范围围内内，绝绝大大多多数数工工程程材材料料都都可可以以近近似似为为漫漫发发射射、灰灰体体，不不会会引引起起较较大大的的误误差差。但但在在太太阳阳能能利利用用中中就就不不能能简简单单地地将将物物体体当当作作灰灰体体。这这是是因因为为近近50%的的太太阳阳辐辐射射位位于于可可见见光光的的波波长长范范围围内内，而而自自身身热热辐辐射射位位于于红红外外波波长长范范围围内内，由由于于实实际际物物体体的的光光谱谱吸吸收收比比对对投投入入辐辐射射的的波波长长具具有有选选择择性性，所所以以一一般般物物体体对对太太阳阳辐辐射射的的吸吸收收比比与与自自身身辐辐射射的的发发射射率率有较大的差别。有较大的差别。24 对于工程上常见的温度范围（T2000 K），大11-4 辐射换热的计算方法 251.角系数 假设假设：（1 1）进进行行辐辐射射换换热热的的物物体体表表面面之之间间是是不不参参与与辐辐射射的介质的介质(单原子或结构对称的双原子气体、空气单原子或结构对称的双原子气体、空气)或真空；或真空；（2 2）每个表面都是每个表面都是漫射、灰体或黑体表面漫射、灰体或黑体表面；（3 3）每每个个表表面面的的温温度度、辐辐射射特特性性及及投投入入辐辐射射分分布布均匀。均匀。（1 1）角系数的定义）角系数的定义 从从表表面面1 1发发出出的的总总辐辐射射能能中中直直接接投投射射到到表表面面2 2上上份份额额称称为为表表面面1 1对对表表面面2 2的的角角系系数数，用符号用符号X1,2表示。表示。11-4 辐射换热的计算方法 251.角系数 假设：26 假假设设表表面面1、2都都是是黑黑体体表表面面，根根据据辐辐射射强强度度的的定定义义，单位时间内从单位时间内从dA1发射到发射到dA2上的辐射能为上的辐射能为从整个表面从整个表面1 1发射到表面发射到表面2 2的辐射能为的辐射能为 26 假设表面1、2都是黑体表面，根据辐射强度的定义，27 根据角系数的定义根据角系数的定义,角系数角系数X1,2和和X2,1分别为分别为 可可以以看看出出，在在上上述述假假设设条条件件下下，角角系系数数是是几几何何量量，只只取取决于两个物体表面的几何形状、大小和相对位置。决于两个物体表面的几何形状、大小和相对位置。（2 2）角系数的性质）角系数的性质 1 1）相对性（互换性）相对性（互换性）：2 2）完整性）完整性：27 根据角系数的定义,角系数X1,2和X2,1分别28 3 3）角系数的可加性）角系数的可加性：（3 3）角系数的计算方法）角系数的计算方法 有积分法、代数法、图解法有积分法、代数法、图解法(或投影法或投影法)等等 1 1）积分法）积分法：根据角系数表达式通过积分运算求得角系数根据角系数表达式通过积分运算求得角系数 结果查有关手册（书结果查有关手册（书327页表）页表）28 3）角系数的可加性：（3）角系数的计算方法29 2 2）代数法）代数法：利利用用角角系系数数的的定定义义及及性性质质,通通过代数运算确定角系数。过代数运算确定角系数。图图(a)、(b)：图图(c)：图图(d)：三个非凹表面构成的封闭空腔三个非凹表面构成的封闭空腔 完整性相对性29 2）代数法：利用角系数的定义及性质,3030312.黑体表面之间的辐射换热 对于任意位置的两个黑体表面对于任意位置的两个黑体表面1、2，据角系数定义，据角系数定义 称为称为空间辐射热阻空间辐射热阻 312.黑体表面之间的辐射换热 对于任意位置的两个32 如如果果由由n个个黑黑体体表表面面构构成成封封闭闭空空腔腔,那那么么每每个个表表面面的净辐射换热量为的净辐射换热量为 注注意意：1,2是是两两个个任任意意位位置置的的黑黑体体表表面面1、2之之间间直直接接的的辐辐射射换换热热量量，没没考考虑虑其其它它表表面面的的影影响响。如如果果两两个个黑黑体体表表面面构构成成封封闭闭腔腔，则则1,2是两个表面净交换的热量。是两个表面净交换的热量。辐射网络辐射网络32 如果由n个黑体表面构成封闭空腔,那么每个表面的333.灰体表面之间的辐射换热 （1 1）有效辐射）有效辐射 单单位位时时间间内内离离开开单单位位面面积积表表面面的的总总辐辐射射能能,用用符符号号J表示表示,单位是单位是W/m2。单位面积的辐射换热量单位面积的辐射换热量 上两式联立可解得上两式联立可解得自身的辐射力自身的辐射力反射的投入辐射反射的投入辐射有效辐射有效辐射投入辐射投入辐射(漫灰表面漫灰表面)333.灰体表面之间的辐射换热 （1）有效辐射 单位34称为称为表面辐射热阻表面辐射热阻 对对于于黑黑体体表表面面，=1，表表面面辐辐射射热热阻为零，阻为零，。（2 2）两两个个漫漫灰灰表表面面构构成成的的封封闭闭空空腔中的辐射换热腔中的辐射换热 若若两两个个漫漫灰灰表表面面1、2构构成成封封闭闭空空腔腔,T1T2，则则表表面面1净净损损失失、表表面面2净净获得获得的热量分别为的热量分别为表面辐射热阻表面辐射热阻网络单元网络单元34称为表面辐射热阻 对于黑体表面，=1，表面辐射热35 表面表面1、2之间净辐射换热量为之间净辐射换热量为 根据封闭腔的能量守恒，根据封闭腔的能量守恒，联立以上三式，可得联立以上三式，可得两两表表面面封封闭闭空空腔的辐射网络腔的辐射网络 空间辐射热阻空间辐射热阻网络单元网络单元35 表面1、2之间净辐射换热量为 根据封闭腔36 对于两块平行壁面构成的封闭空腔对于两块平行壁面构成的封闭空腔 1,2 称为称为系统黑度系统黑度 对于凸型物体对于凸型物体1和包壳和包壳2之间的辐射换热之间的辐射换热,如果如果 ，36 对于两块平行壁面构成的封闭空腔 1,2 称为系11-5 遮热板的原理 37 遮遮热热板板的的主主要要作作用用就就是是削削弱弱辐辐射射换换热热。下下面面以以两两块块靠靠得得很很近近的的大大平平壁壁间间的的辐辐射射换换热热为为例例来来说说明明遮遮热热板板的的工工作原理。作原理。没没有有遮遮热热板板时时，两两块块平平壁壁间间的的辐辐射射换换热热有有2个个表表面面辐辐射射热热阻阻、1个个空空间间辐辐射射热热阻。阻。在在两两块块平平壁壁之之间间加加一一块块大大小小一一样样、表表面面发发射射率率相相同同的的遮遮热热板板3，如如果果忽忽略略遮遮热热板板的的导导热热热热阻阻，则则总总辐辐射射热热阻阻增增加加了了1 1倍，辐射换热量减少为原来的倍，辐射换热量减少为原来的1/2，即，即11-5 遮热板的原理 37 遮热板的主要作用就是削弱38 如如果果加加n层层同同样样的的遮遮热热板板，则则辐辐射射热阻将增大热阻将增大n倍，辐射换热量将减少为倍，辐射换热量将减少为 遮遮热热板板通通常常采采用用表表面面发发射射率率小小、表表面面辐辐射射热热阻阻大大的的材材料料，如如表表面面高高度度抛抛光光的的薄薄铝铝板板，同同时时在在多多层层遮遮热热板板中中间间抽真空，加大导热和对流换热热阻。抽真空，加大导热和对流换热热阻。遮热板在测温技术中的应用遮热板在测温技术中的应用 热电偶测温热电偶测温：误差：误差：误误差差和和辐辐射射换换热热量量成成正正比比，与与h成反比。成反比。热电偶热平衡：热电偶热平衡：38 如果加n层同样的遮热板，则辐射热阻将增大39当当Tf=1 000 K、T2=800 K、1=0.8、h=40 W/(m2K)时时，测温误差可达测温误差可达144 K。给给热热电电偶偶端端部部加加一一个个表表面面发发射射率率为为 3=0.2的的遮遮热热罩罩3，热电偶端点的热平衡表达式热电偶端点的热平衡表达式 遮热罩的热平衡表达式遮热罩的热平衡表达式 联联立立求求解解以以上上两两式式，可可求求得得测测温温误误差差 ，结结果果为为44 K。可可见见，加加遮遮热热罩罩后后，相相对对测测温温误误差差由由未未加加遮遮热热罩罩的的14.4%降低到降低到4.4%。抽抽气气式式热热电电偶偶：遮遮热热罩罩做做成成抽抽气气式式，以以便便强强化化燃燃气气与热电偶之间的对流换热，提高表面传热系数与热电偶之间的对流换热，提高表面传热系数h。39当Tf=1 000 K、T2=800 K、1=0.40第十一章小结 重点掌握以下内容：重点掌握以下内容：（1 1）有有关关热热辐辐射射和和辐辐射射换换热热的的基基本本概概念念：吸吸收收比比、反反射射比比、透透射射比比、黑黑体体、灰灰体体、漫漫射射体体、人人工工黑黑体体、辐辐射射强强度度、辐辐射射力力、有有效效辐辐射射、发发射射率率（黑黑度度）、角角系系数数、表表面面辐辐射射热热阻阻、空空间间辐辐射射热热阻阻、温温室室效效应应、选选择择性性表表面面等；等；（2 2）热热辐辐射射的的基基本本定定律律：普普朗朗克克定定律律、斯斯忒忒藩藩-玻玻耳耳兹兹曼曼定定律律、维维恩恩位位移移定定律律、兰兰贝贝特特定定律律、基基尔尔霍霍夫夫定定律；律；（3 3）辐辐射射换换热热的的计计算算方方法法：角角系系数数的的计计算算方方法法；辐射网络法；辐射网络法；（4 4）遮热板的原理。）遮热板的原理。40第十一章小结 重点掌握以下内容：（1）有关