热辐射与辐射换热

梁秀俊,高等传热学,华北电力大学,梁秀俊,高等传热学,热辐射与辐射换热部分,一、一些基本概念,二、黑体辐射,三、实际物体的辐射与吸收,四、辐射换热的计算,梁秀俊,高等传热学,一、一些基本概念,可见光的波长范围：,0.380.76m,梁秀俊,高等传热学,1,、吸收、反射和透射,投射辐射,周围物体在单位时间内投射到物体单位表面积上的辐射能。用,G,表示，单位,W/m,2,。,吸收比,反射比,穿透比,梁秀俊,高等传热学,视物体表面状况（平整程度）和投入辐射的波长，表面的反射又分为镜反射和漫反射。,漫反射是把来自任意方向、任意波长的投入辐射以均匀的强度（不是“能量”）反射到半球空间所有方向上去。,(a),镜反射,(b),漫反射,注：除了经特殊处理的金属表面，大部分工程材料均可视为漫射表面。,梁 秀 俊,高等传热学,2,、特殊辐射体,吸收比,= 1,的物体称为黑体。,反射比,= 1,的物体称为白体（或镜体）。,透射比,= 1,的物体称之为透明体。,例如，煤炭的吸收比达到,0.96,，磨光的金子反射比几乎等于,0.98,，而常温下空气对热射线呈现透明的性质。,梁秀俊,高等传热学,辐射力,E,：,单位时间内，物体的单位表面积向半球空间所有方向辐射出去的全部波长的能量,总和 。,W/m,2,从总体上表征物体发射辐射能本领的大小。,3,、辐射能力,光谱辐射力,:,在单位时间内物体单位面积上向半球空间所有方向发射的从,到,+d,波长的辐射能称为光谱辐射力，用,E,表示，单位为,W/m,3,。,梁秀俊,高等传热学,定向辐射强度,:,单位可见面积发射出去的落在空间任意方向的单位立体角中的能量。,梁秀俊,高等传热学,二、黑体辐射,辐射力,不同方向？,不同波长？,普朗克定律,四次方定律,兰贝特定律,吸收比,= 1,的物体称为黑体。,黑体还应具有什么性质？,黑体辐射具有什么特性？,梁秀俊,高等传热学,二、黑体辐射,1,、普朗克定律,(1900),维恩,Wien,位移定律,(1893),梁 秀 俊,高等传热学,【,解,】,应用,Wien,位移定律,T=2000K,时,max,=2.9,10,-3,/2000=1.45,m,T=5800K,时,max,=2.9,10,-3,/5800=0.50,m,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,【,例,】,试分别计算温度为,2000K,和,5800K,的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长。,梁秀俊,高等传热学,2,、斯忒藩,-,玻耳兹曼定律,黑体辐射的辐射力与温度的关系遵循斯忒藩,-,波尔兹曼定律：,普朗克定律与,Stefan-Boltzmann,定律的关系,特定波长区段内的黑体辐射力,通常把波段区间的辐射能表示为同温度下黑体辐射力的百分数，记作，称作,黑体辐射函数,。,梁秀俊,高等传热学,T,/ (,m,K,),F,b,(,0,-,),/ %,T,/ (,m,K,),F,b,(,0-,),/ %,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1600,1700,1800,1900,2000,2200,2400,2600,2800,3000,0.0323,0.0916,0.214,0.434,0.782,1.290,1.979,2.862,3.946,5.225,6.690,10.11,14.05,18.34,22.82,27.36,6500,7000,7500,8000,8500,9000,9500,10000,12000,14000,16000,18000,20000,22000,24000,26000,77.66,80.83,83.46,85.64,87.47,89.07,90.32,91.43,94.51,96.29,97.38,98.08,98.56,98.89,99.12,99.30,梁秀俊,高等传热学,梁 秀 俊,【,例,】,试求温度为,1400K,和,6000K,时的黑体辐射中可见光所占的份额。,F,b,(,1,-,2,)=F,b,(0-,2,)-F,b,(0-,1,)=0.07%,。,同样的做法可以得出,6000K,的黑体在可见光范围所占的份额为,F,b,(,1,-,2,)=F,b,(0-,2,)-F,b,(0-,1,)=57.3%-11.3%=46%,。,【,解,】,：可见光的波长范围是从,0.38m,到,0.76m,，对于,1400K,的黑体其,T,值分别为,532,和,1064,。可从表,4,1,查得,F,b,(0-,1,),和,F,b,(0-,2,),分别为,60,，,(,),明显减少；,90,，,(,),降为,0,梁 秀 俊,高等传热学,影响物体发射率的因素,f,（物质的种类、表面状况、表面温度）,只与发射物体有关，而不涉及外界条件。,不同种类物质的,：常温下白大理石,0.95,；常温下镀锌铁皮,0.23,同一物体不同温度,：严重氧化的铝表面,50,时,0.2,；,500,时,0.3,同一材料，不同表面状况：,a,常温下无光泽黄铜,0.22,；磨光后的黄铜,0.05,大部分非金属材料的发射率一般在,0.85,0.95,之间；且与表面状况关系不大，在缺乏资料时，可近似取为,0.9,。,梁 秀 俊,高等传热学,材料类别和表面状况,温度,/,法向发射率,n,具有光滑的氧化层表皮的钢板,20,0.82,镀锌铁皮,38,0.28,严重氧化的铝表面,50,0.2,严重氧化的铝表面,500,0.3,无光泽黄铜,38,0.22,磨光的黄铜,38,0.05,红砖,20,0.880.93,玻璃,40,0.94,各种颜色的油漆,40,0.920.96,雪,-120,0.82,人体皮肤,32,0.98,部分常见材料表面的法向发射率,梁 秀 俊,高等传热学,对应于黑体的辐射力,E,b,，光谱辐射力,E,b,和定向辐射强度,L,，分别引入了三个修正系数，即发射率,，光谱发射率,(,),和定向发射率,(,),，其,表达式和物理意义,如下,实际物体的,辐射力,与,黑体,辐射力,之比,:,实际物体的,光谱辐射力,与,黑体的,光谱辐射力,之比：,实际物体的,定向辐射强度,与,黑体的,定向辐射强度,之比：,梁 秀 俊,高等传热学,2,、实际物体的吸收比,实际物体的光谱吸收比,梁 秀 俊,高等传热学,根据前面的定义可知，,物体的吸收比除与自身表面性质的温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关,。设下标,1,、,2,分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体,1,的吸收比为,梁 秀 俊,高等传热学,物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系 材料自身温度,T,1,为,294K,梁 秀 俊,高等传热学,梁 秀 俊,高等传热学,温室大棚就是利用了玻璃对辐射能吸收的选择性,梁 秀 俊,高等传热学,实际物体的光谱吸收比对投入辐射的波长有选择性这一情况给辐射换热的工程计算带来很多不便。,3,、灰体,光谱吸收比与波长无关的理想物体称为灰体。,在,红外线,的辐射范围内大多数工程材料可以当作灰体处理。,引入的意义,：不管投入辐射的分布如何，,均为常数，即物体的吸收比只取决于本身的情况而与外界情况无关。,本课程的研究范围内，辐射传热计算假设表面为,漫灰的。,梁 秀 俊,高等传热学,4,、基尔霍夫定律,基尔霍夫定律给出了实际物体辐射能力与吸收能力的关系。,列出处于热平衡时，实际物体,2,的能量收支关系。,但是，这个等式是有条件的。,梁 秀 俊,高等传热学,基尔霍夫定律的四种表达形式：,无条件成立,漫射表面,灰体表面,漫射灰体表面或与黑体,处于热平衡,梁 秀 俊,高等传热学,关于基尔霍夫定律和灰体的几点说明,1,、根据基尔霍夫定律，在一定条件下，物体的辐射能力越大，其吸收能力也越大。换句话，善于辐射的物体必善于吸收。,2,、对于工程问题而言，只要在所研究的波长范围内光谱吸收比基本上与波长无关，则灰体的假定是成立的。,3,、当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能把物体当作灰体处理。,例、北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。试问树叶上、下面的哪一面结霜,?,为什么,?,答：霜会结在树叶的上表面。因为清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。而太空表面的温度低于摄氏零度，而地球表面温度一般在零度以上。由于相对树叶下表面来说，其上表面需要向太空辐射更多的能量，所以树叶下表面温度较高，而上表面温度较低且可能低于零度，因而容易结霜。,梁 秀 俊,高等传热学,梁 秀 俊,高等传热学,有效辐射,角系数,四、辐射换热的计算,梁 秀 俊,高等传热学,1,、角系数,（,1,）角系数的定义,角系数是纯几何因子,.,我们把从表面,1,发出的辐射能中落到表面,2,上的百分数,称为表面,1,对表面,2,的角系数,记为,梁 秀 俊,高等传热学,（,2,）角系数的性质,研究如图示中微元面,d,A,1,到另一个微元面,d,A,2,的角系数，根据定义得：,角系数的相对性,梁 秀 俊,高等传热学,在几个表面组成的封闭系统中，任一个表面对封闭腔各个表面的角系数之和等于,1,。,角系数的完整性,梁 秀 俊,高等传热学,角系数的可加性,可加性只是对逗号后边的角码是可加的,梁 秀 俊,高等传热学,(3),角系数的计算,1),定义法,梁 秀 俊,高等传热学,2),直接积分法,梁 秀 俊,高等传热学,梁 秀 俊,高等传热学,梁 秀 俊,高等传热学,3),代数分析法,利用角系数的相对性、完整性及可加性。,1,2,梁 秀 俊,高等传热学,梁 秀 俊,高等传热学,2,、有效辐射,单位时间离开物体单位面积的总辐射能为有效辐射，记为,J,。单位,W/m,2,对于黑体,梁 秀 俊,高等传热学,3,、辐射热网络法的辐射换热计算,(1),辐射网络的主要热阻,空间辐射热阻,表面,1,表面,2,如果是黑体,梁秀俊,高等传热学,任意物体表面与外界的辐射换热量（辐射散热量）与有效辐射,J,之间的关系：,表面辐射热阻,梁 秀 俊,高等传热学,(2),网络法辐射换热,称为系统黑度,梁秀俊,高等传热学,梁 秀 俊,高等传热学,三个表面组成的封闭系统,画出等效的网络图,梁 秀 俊,高等传热学,列出节点的热流方程,上面三个表面组成的封闭系统中节点,J,1,的方程为：,梁 秀 俊,高等传热学,求解由各节点方程组成的方程组，得到,J,1,、,J,2,等,确定每个表面的净辐射换热量或任意两个表面间的辐射换热量。,梁 秀 俊,高等传热学,黑体表面,因此有：,梁 秀 俊,高等传热学,重辐射面,与黑体表面情况的区别，重辐射面的温度是待定的。,梁 秀 俊,高等传热学,4,、杰勃哈特法的辐射换热计算,1,）定义：,表面,1,发出的辐射能中最终被表面,2,吸收的份额，称为表面,1,对表面,2,的吸收因子，记作,B,1,2,(1),吸收因子,2,）吸收因子的性质,相对性,完整性,梁秀俊,高等传热学,(2),表面辐射散热分析,根据吸收因子的定义，在封闭系统中，任意表面,j,的净辐射散热为,1,对,j,的吸收因子为,类似,梁秀俊,高等传热学,梁秀俊,高等传热学,梁秀俊,高等传热学,5,、射线踪迹法的辐射换热计算,射线踪迹法的基本特点是追踪表面发射的能束，跟踪分析观察能束的反射吸收情况，直到能束被完全吸收。,表面,1,单位面积散热,梁秀俊,高等传热学,表面,1,单位面积散热,梁 秀 俊,传热学,Heat Transfer,6.,简单形状镜面间的辐射换热,镜反射,镜像分析法,从一个表面镜反射的辐射射线，就像来自镜面后边的,成像,发射出来的射线一样。,平面镜成像特点：（,1,）像和物体的大小相等；（,2,）像和物体到镜面的距离相等；（,3,）像和物体的连线垂直于镜面。,假设镜面为灰体,(1),两平行的无限大平板镜面间的辐射换热,T,1,T,2,梁秀俊,高等传热学,(2),两同轴无限长圆柱镜面间的辐射换热,两同心球镜面间的辐射换热,1,2,a,b,c,