1、第八章.辐射换热1ppt课件辐射换热是指物体之间通过相互辐射和吸收进行的热量传输辐射换热是指物体之间通过相互辐射和吸收进行的热量传输过程。过程。物体由于自身温度引起的发射辐射能的现象物体由于自身温度引起的发射辐射能的现象, ,依靠热射线依靠热射线（电磁波）传递热量（电磁波）传递热量热辐射热辐射紫外线紫外线 0.1- 0.380.1- 0.38可见光可见光 0.38-0.760.38-0.76红外线红外线 0.76-1000.76-100热射线：理论上热射线：理论上为为0范围，波长范围，波长在在0.1100m之间。之间。工程上的热辐射集工程上的热辐射集中在中在0.760.764040微米微米的红
2、外线部分的红外线部分红外线辐射红外线辐射。8.辐射换热8.18.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念2ppt课件不需要冷热物体的直接接触，也不需要中间介不需要冷热物体的直接接触，也不需要中间介质质伴随有能量形式的转换，即辐射时由内能转换伴随有能量形式的转换，即辐射时由内能转换为辐射能，吸收时由辐射能转换为内能。为辐射能，吸收时由辐射能转换为内能。一切温度高于一切温度高于0K0K的物体都在不断地向外发射辐的物体都在不断地向外发射辐射能，也在吸收周围物体发射到它表面上的辐射能，也在吸收周围物体发射到它表面上的辐射能。射能。热辐射热辐射特特 点点高温物体的热能以电磁波高温物体的热能以电磁波的形式传递
3、给低温物体的形式传递给低温物体8.辐射换热8.18.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念3ppt课件8.辐射换热8.18.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念辐射能的吸收、反射和投射辐射能的吸收、反射和投射吸收吸收热热能能 低温物体低温物体热能高温高温物体物体辐射能流（热射线）辐射能流（热射线）GGGG穿透穿透 与中间介质无关与中间介质无关而由电磁波传输而由电磁波传输反射反射 4ppt课件物体能将外界投射来的辐射能全部吸收黑体物体能将外界投射来的辐射能全部吸收黑体8.辐射换热8.18.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念辐射能的吸收、反射和投射辐射能的吸收、反射和投射能量守恒原理能量守恒原理G
4、RGDGAGGGGG1吸收率吸收率反射率反射率透射率透射率1,0物体能将外界投射来的辐射能全部反射物体能将外界投射来的辐射能全部反射入射角等于反射角镜体；漫反射白体入射角等于反射角镜体；漫反射白体1,0外界投射到物体上的辐射能全部透过物体透明体外界投射到物体上的辐射能全部透过物体透明体1,05ppt课件固体、液体：对辐射能的吸收只在物体表固体、液体：对辐射能的吸收只在物体表面薄层内进行，可认为其透射率：面薄层内进行，可认为其透射率：=0=08.辐射换热8.18.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念辐射能的吸收、发射和投射辐射能的吸收、发射和投射GGGG表面辐射表面辐射气体：对热辐射几乎不能反射
5、，即：气体：对热辐射几乎不能反射，即：=0=01对称的双原子气体、纯净空气，可认对称的双原子气体、纯净空气，可认为其基本不吸收辐射能，即为其基本不吸收辐射能，即00体体积积辐辐射射1116ppt课件物体向外发射的辐射能包括不同波长和不同空间方向的能量物体向外发射的辐射能包括不同波长和不同空间方向的能量辐射力、辐射强度辐射力、辐射强度辐射力：辐射力：单位时间内，物体的单单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的位表面积向半球空间发射的全部全部波长波长的辐射能量的辐射能量E2mW 0单色辐射力：单色辐射力：单位时间内，物体单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的某的单位表面积向半球空间发射的
6、某一特定波长一特定波长的辐射能量的辐射能量, ,描述辐射能描述辐射能按波长分布按波长分布E2mW0dEE方向辐射力：方向辐射力：单位时间内，单位时间内，物体的单位表面积向某一方向物体的单位表面积向某一方向单位单位立体角立体角内发射的全部波长内发射的全部波长的辐射能量的辐射能量EsrmW2（定向）辐射强度：辐射强度：单位时间，单位时间，单位可见辐射面积在单位立体角发射在单位立体角发射的全部波长的辐射能量的全部波长的辐射能量LsrmW2bEE7ppt课件立体角：是一个空间角度，单立体角：是一个空间角度，单位为位为Sr(Steradian) 。 经度角d d 纬度角 r Sin r Sin d r
7、d dA整个半球的面积为整个半球的面积为2r2 ，为，为2个球面度个球面度22(sin)sindAdrrdrdrdd 立体角立体角 = A / r2，Sr 为球面度为球面度8ppt课件nd d dA1Cos 8.辐射换热8.18.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念dA11dLd A C o sd与方向辐射力关系与方向辐射力关系 E =L Cos 在法线上在法线上 En = Ln 1dEdF d9ppt课件8.辐射换热8.18.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念漫射表面漫射表面能向半球空间各方向发出均匀辐射强度的发射辐射的表面( )constantLL漫发射表面漫反射表面能向半球空间各方向均
8、匀反射的表面漫射表面同时漫发射表面又是漫反射表面10ppt课件图8-3 有效辐射示意图 11111bJEG包括了自身的发射辐射包括了自身的发射辐射E和反射辐射和反射辐射 G。G为投射辐射。为投射辐射。11ppt课件作业 239页v8-1v8-2v8-612ppt课件8.辐射换热8.28.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律一、黑体和黑体模型黑体的吸收能力最强，辐射能力也最强黑体的吸收能力最强，辐射能力也最强 =1伊普西龙 黑体表面是漫射表面黑体表面是漫射表面13ppt课件黑体模型黑体模型随温度升高，黑体的单色辐射随温度升高，黑体的单色辐射力和辐射力力和辐射力 都在迅速增大；都在迅速增大；在
9、波长为在波长为0 0、无穷大处，、无穷大处， 每一分布曲线都有一峰值；每一分布曲线都有一峰值；随着温度升高，黑体的最大单随着温度升高，黑体的最大单色辐射力向短波长方向移动。色辐射力向短波长方向移动。 0bE1exp251TccEbbE二二 普朗克定律普朗克定律14ppt课件8.辐射换热8.28.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律1exp251TccEb二、普朗克定律二、普朗克定律0ddEbKmT6 .2897max维恩定律15ppt课件8.辐射换热8.28.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律1exp251TccEb斯蒂芬玻尔兹曼定律斯蒂芬玻尔兹曼定律dTccdEEbb025101e
10、xp40TEb斯蒂芬常数斯蒂芬常数，42801067. 5KmW40100TcEb42067. 5KmWcTT2bbEE16TT3 bbEE8116ppt课件兰贝特定律兰贝特定律cosbnbEEn Eb ：黑体在：黑体在方向的辐射力方向的辐射力 Ebn：黑体在法向的辐射力：黑体在法向的辐射力E =L Cos En = Ln Lb =E bn =Lbn Lb 1 =Lb 2 =Lb 3= Lbn黑体的定向辐射黑体的定向辐射强度与方向无关强度与方向无关服从兰贝特定律的表面叫服从兰贝特定律的表面叫漫辐射表面漫辐射表面bbIE黑体辐射力黑体辐射力Eb与与辐射强度辐射强度Lb的关的关系系17ppt课件一
11、一 实际物体的辐射特性实际物体的辐射特性bEE发射率发射率：实际物体的辐射力与同温度下：实际物体的辐射力与同温度下 黑体的辐射力的比值黑体的辐射力的比值bEE40TdEEEbb发射率表征实际物体的辐射本领发射率表征实际物体的辐射本领接近于黑体辐射的程度。接近于黑体辐射的程度。bEE40100TcEb40100TcEEb8.辐射换热8.38.3 实际物体和灰体的辐射实际物体和灰体的辐射18ppt课件实际物体的方向辐射特性实际物体的方向辐射特性 bbLEEL1.0 1.2n0.95 1.0n19ppt课件20ppt课件8.辐射换热8.3 8.3 实际物体和灰体的辐射实际物体和灰体的辐射实际物体的吸
12、收特性实际物体的吸收特性单色吸收率单色吸收率：物体对某一特定波长的：物体对某一特定波长的投射辐射投射辐射所吸收的份额所吸收的份额自身表面性质与自身表面性质与温度温度投射波长投投射波长投射物体的表面性质射物体的表面性质与温度与温度吸收率吸收率：所有波长：所有波长投射辐射投射辐射：单位时间内，外界投射到：单位时间内，外界投射到物体单位面积上的辐射能物体单位面积上的辐射能G00G dG d21ppt课件8.辐射换热8.3 8.3 实际物体和灰体的辐射实际物体和灰体的辐射基尔霍夫定律基尔霍夫定律实际物体与黑体构成的辐射系统中，在实际物体与黑体构成的辐射系统中，在热平衡条件下实际物体的吸收率等于其热平衡
13、条件下实际物体的吸收率等于其发射率发射率理想物体理想物体，简化辐射换，简化辐射换热计算有重要意义，在热计算有重要意义，在红外辐射波长范围内大红外辐射波长范围内大部分工程材料都可近似部分工程材料都可近似看做灰体。看做灰体。适用于漫反射，不受投射辐射沿波长的适用于漫反射，不受投射辐射沿波长的分布影响分布影响, ,仅取决于自身温度仅取决于自身温度灰体灰体constconst40TdEEEbb单色吸收率与波长无关的物体单色吸收率与波长无关的物体22ppt课件8.辐射换热8.48.4 角系数角系数 各物体向外发射了多少辐射能；各物体向外发射了多少辐射能； 各物体向外发射的辐射能中有多少投射到另各物体向外
14、发射的辐射能中有多少投射到另一个物体上；一个物体上； 各物体吸收各物体吸收 了多少投射到它上面的辐射能。了多少投射到它上面的辐射能。由表面由表面1 1投射到表面投射到表面2 2的辐射能量占离开表面的辐射能量占离开表面1 1的总辐射能的的总辐射能的份额称为表面份额称为表面1 1对表面对表面2 2的角系数的角系数工程上计算辐射换热工程上计算辐射换热40100TcEEb角系数的定义角系数的定义12121QXQijijXi表面 发出而落在表面 上的能量离开表面的全部能量23ppt课件24ppt课件121,21b1XAE212,12b2XA E121212211coscosd dAAA AAr 1212
15、12221coscosd dAAA AAr 11,222,1A XA X,1,2,11ni jiii ii njXXXXX25ppt课件1b11,21b11,1b11,abAE XAE XAE X1,21,1,abXXX1b11b11,21b11,31, 2 3AE XAE XAE X1,21,31, 2 3XXX121,21b1XAE121212211coscosd dAAA AAr 26ppt课件1,21X11,222,1A XA X12,12AXA21,21,21aaAXXA1,22,11XX11,211,31A XA XA22,122,32A XA XA33,133,23A XA XA
16、11,222,1A XA X11,333,1A XA X22,333,2A XA X27ppt课件11,211,322,31231()2A XA XA XAAA11,211,31A XA XA2312312,32222AAAlllXAl22,122,32A XA XA1321321,31122AAAlllXAl33,133,23A XA XA1231231,21122AAAlllXAl1,21,1,1acbdXXX 1,12acabacbcXl1,12bdabbdadXl 1,22adbcacbdXab28ppt课件作业v8-7v8-929ppt课件1211,2b1A XE2122,1b2A
17、XE1,2122111,2b122,1b2A XEA XE11,2b1b2A XEE22,1b1b2A XEEb1b21,211,21EEA X11,21A X8-5 封闭系统中灰体表面间的辐射换热封闭系统中灰体表面间的辐射换热30ppt课件,bb11nnii jii jijjjA XEE31ppt课件2 2 灰表面间的辐射换热灰表面间的辐射换热1.有效辐射有效辐射：单位时间内离开单位面积的总辐射能：单位时间内离开单位面积的总辐射能为该表面的有效辐射，见右图为该表面的有效辐射，见右图 。包括了自身的发射。包括了自身的发射辐射辐射E和反射辐射和反射辐射 G。G为投射辐射。为投射辐射。2. 辐射表
18、面热阻辐射表面热阻图8-3 有效辐射示意图 11111111)1 (1GEGEJbb32ppt课件改写为：改写为：式中，式中， 称为表面热势差；称为表面热势差； 则被称为表面则被称为表面辐射热阻。辐射热阻。11111111111AJEorJEqbb11JEb1111111AorqEJb) 11(111111111111GEGEqGJqb外部：外部：内部：内部：33ppt课件3. 组成封闭空腔两灰表面间的辐射换热组成封闭空腔两灰表面间的辐射换热2222,11111212,1111AXAAEEbb两个物体组成的辐射换热系统两个物体组成的辐射换热系统34ppt课件b1b212121 111,2221
19、11EEAA XA12AAA1,22,11XXb1b212()111A EE1,2b1b2AEE1,21X1b1b21,21122()111A EEAA12AA1,21 1b1b2AEE35ppt课件例题8-10 计算车间内蒸汽管道外表面的辐射散热损失。 已知管道保温层外径 do=583mm，外壁温度 tw=48，室温 t0=23。36ppt课件2222, 11111212, 1111AXAAEEbb则上式变为则上式变为 现在在两面之间插入一块发射率仍为现在在两面之间插入一块发射率仍为 的遮热板，的遮热板，这样就组成了两个换热系统，如图所示这样就组成了两个换热系统，如图所示. .12121,2
20、2,1,1AAXX)(11121221212, 1bbbbEEEEq4.4.遮热板遮热板为简单起见，假设为简单起见，假设1237ppt课件稳态时有稳态时有:2, 33 , 12, 1212, 1232, 3313 , 1)(21)()(qqqEEqEEqEEqbbsbbsbbs可见，与没有遮热板时相比，辐射换可见，与没有遮热板时相比，辐射换热量减小了一半。热量减小了一半。1238ppt课件网络法网络法( (又称热网络法，电网络法等又称热网络法，电网络法等) )的原理，是用电学中的电的原理，是用电学中的电流、电位差和电阻比拟热辐射中的热流、热势差与热阻，用电流、电位差和电阻比拟热辐射中的热流、热
21、势差与热阻，用电路来比拟辐射热流的传递路径。但需要注意的是，这两种方法路来比拟辐射热流的传递路径。但需要注意的是，这两种方法都离不开角系数的计算，所以，必须满足漫灰面、等温、物性都离不开角系数的计算，所以，必须满足漫灰面、等温、物性均匀以及投射辐射均匀的四个条件。下面从介绍相关概念入手，均匀以及投射辐射均匀的四个条件。下面从介绍相关概念入手，逐步展开。逐步展开。网络法的应用举例网络法的应用举例 5. 组成封闭空腔的多个灰表面间的辐射换热组成封闭空腔的多个灰表面间的辐射换热两灰表面封闭系统辐射换热等效网络图两灰表面封闭系统辐射换热等效网络图1bE2, 11111A2J1J2bE2221A2, 1
22、2, 11XA39ppt课件011:011:2,11212222222,1112111111XAJJAJEJXAJJAJEJbb 根据电路中的根据电路中的基尔霍夫定律基尔霍夫定律流入节电的电流总和流入节电的电流总和等于零，列出个个节点的热流方程，组成有效辐射的联立等于零，列出个个节点的热流方程，组成有效辐射的联立方程组，见方程组，见40ppt课件求解上面方程组获得求解上面方程组获得 ，根据：，根据： 计算净辐射热流，其中计算净辐射热流，其中i i 代表表面代表表面1 1或表面或表面2 2。21JorJiiiibiiAJE1在上面的过程中需要注意的是在上面的过程中需要注意的是(1)(1)节点的概
23、念；节点的概念；(2)(2)每个表面一个每个表面一个表面热阻，每对表面一个空间热阻；表面热阻，每对表面一个空间热阻；(3)(3)以及画电路图的一些基以及画电路图的一些基本知识。本知识。下面再来看一下三个表面的情况。与两个表面相似，首先需要画下面再来看一下三个表面的情况。与两个表面相似，首先需要画出等效网络，列出各节点的电流方程。出等效网络，列出各节点的电流方程。41ppt课件由三个表面组成的封由三个表面组成的封闭系统闭系统三表面封闭腔的等三表面封闭腔的等效网络图效网络图42ppt课件节点节点 的热流方程如下：的热流方程如下：321,JandJJ求解上面的方程组，再计算净换热量。求解上面的方程组
24、，再计算净换热量。43ppt课件A A 画等效电路图；画等效电路图；B B 列出各节点的热流列出各节点的热流( (电流电流) )方程组；方程组；C C 求解方程组，以获得各个节点的等效辐射；求解方程组，以获得各个节点的等效辐射；D D 利用公式利用公式 计算每个表面的净辐计算每个表面的净辐 射热流量。射热流量。iiiibiiAJE1总结上面过程，可以得到应用总结上面过程，可以得到应用网络法的基本步骤网络法的基本步骤如下：如下：44ppt课件b b 有一个表面绝热，有一个表面绝热，即该表面的净换热量为零即该表面的净换热量为零。与黑。与黑体不同的是，此时该表面的温度是未知的。同时，它体不同的是，此时该表面的温度是未知的。同时，它仍然吸收和发射辐射，只是发出的和吸收的辐射相等。仍然吸收和发射辐射，只是发出的和吸收的辐射相等。由于，热辐射具有方向性，因此，他仍然影响其它表由于，热辐射具有方向性，因此，他仍然影响其它表面的辐射换热。这种表面温度未定而净辐射换热量为面的辐射换热。这种表面温度未定而净辐射换热量为零的表面被称为零的表面被称为重辐射面重辐射面。 两个重要特例两个重要特例a a 有一个表面为黑体。有一个表面为黑体。黑体的表面热阻为零黑体的表面热阻为零。此时，。此时，该表面的温度一般是已知的。该表面的温度一般是已知的。45ppt课件46ppt课件
