工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)熱工學(xué)第12章Radiation-Heat-Transfer

Chapter12RadiationHeatTransfer， raditionsityernergingedbymetrintheforelectromagnetcwaves (or photons ) asassconfortitthehangesheelectronicconfigurationsofthehatmormolecules.unikeconductionandconvection電影院ransferofeenergybyra epresencefaninterveningum.infact energytransferbyradiationisfastest (atthespedoflight ) anditsuffersnoattentiuationnavacuum.thisishowtheergyofthesunreasonthesearth.inheattransferstuiesweareinterestedinthermradiat eformationedbyboiesbecauseofheirtemprerature.itdiffersfromotherfsofterelectrommentagrationcadiationsuchasx-rays，gammarays，gammarays andtelvisionwaveswerthatheronrettttotemperature.albodiestatemproteratureabeveabesbesbesetzeroemitthermalradiation . radiationisavolumetricphenomenon，andallsolids，liquids，andgasesemit，absorb， ortransmitradiationtovarydegrees.however radiationisullyconsidedtobeasurfacephenomeonforsolidsthatareopaquetthermalationsuc wood andockessincenterationetheinterrorrregisonsfosuhamhiticallancerrrearrechesurface andtheradiationindindentthbodiesisul icronsfromthesurface .主要內(nèi)容是12-1熱輻射的基本概念12-2熱輻射的基本規(guī)律在日常生活中散熱的例子也隨處可見。 例如，(1)在你接近火的時(shí)候，面對(duì)火的面比背面感覺更熱的冬天的夜晚，在有窗簾的房間里，感覺比沒有窗簾時(shí)更舒適(3)太陽能傳到地面的冬天，蔬菜大棚內(nèi)的空氣溫度在0以上，但地面有可能結(jié)冰。 目的： (1)認(rèn)識(shí)熱輻射的性質(zhì)；(2)掌握黑體輻射的基本傳遞規(guī)律；(3)理解氣體輻射的過程；(4)掌握散熱熱交換的基本研究方法和過程；12-1散熱的基本概念；1 .散熱特征；(1)定義： (2)由特征、熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生并作為電磁波傳遞的能量，a b輻射熱交換過程伴隨能量形式的二次轉(zhuǎn)換。 c任何物體，當(dāng)溫度超過0K時(shí)，其周圍空間的熱輻射不停地交換是物體間相互輻射和吸收的總效果。 物體與環(huán)境處于熱平衡時(shí)，其表面熱輻射不斷進(jìn)行，但其輻射熱交換量等于零。 電磁輻射包括多種形式，我們感興趣的是工業(yè)上有意義的散熱區(qū)域一般為0.1-100m。 圖12-1電磁輻射光譜、2 .電磁波光譜、紅外線有近紅外和遠(yuǎn)紅外成分，大致以25m為邊界。 波長在25m以下的紅外線稱為近紅外線，25m以上的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。 發(fā)展于20世紀(jì)70年代初期的遠(yuǎn)紅外線加熱技術(shù)，利用從遠(yuǎn)紅外線放射元件放射出的以遠(yuǎn)紅外線為主的電磁波來加熱材料。 微波爐利用遠(yuǎn)紅外線加熱物體。 遠(yuǎn)紅外線可以透過塑料、玻璃、陶瓷制品，但是被具有水這樣極性分子的物體吸收，物體內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)部熱源，物體被比較均勻地加熱。 由于各種食品的主要成分是水，遠(yuǎn)紅外加熱是比較理想的加熱手段。 此外，如圖2所示，用Q、Q、Q表示總的投影放射量，則在式中，、分別為吸收率、反射率和透射率。大多數(shù)固體和液體：不含粒子的氣體：黑體：鏡體或白體：透明體：圖2的物體是熱輻射的吸收反射和透射，3 .物體是熱輻射的吸收反射和投影，黑體，白體和透明體是假定的理想物體，absorptivity、reflectivity、andtransmissivity， 反射、鏡反射和擴(kuò)散反射兩種，如圖3和圖4所示，放射強(qiáng)度Radiantintensity朝向物體表面所在的方向，是垂直于該方向的每單位面積、每單位時(shí)間發(fā)射的全波長的能量。 單色放射強(qiáng)度I、solidangle、放射力Emissivepower、放射力是放射物體的單位表面積在單位時(shí)間內(nèi)放射到半球空間的全波長的能量，也稱為半球總放射力。 用e表示，(W/m2 )、放射力和單色放射強(qiáng)度的關(guān)系、放射力、在某波長處在波長d的范圍放射的能量稱為單色放射力。 在單位時(shí)間、單位波長的范圍內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間放出的能量。 也稱為半球單色放射力。 (W/m3 )明顯，e和E之間有以下關(guān)系：1.黑體概念Blackbody黑體：指能夠吸收在其表面所投入的所有熱輻射能量的物體，是科學(xué)上虛擬的物體，不存在于現(xiàn)實(shí)生活中。 但是，如圖5所示，可以人工地制作模擬的人工黑體。 12-2輻射的基本規(guī)律，黑體輻射的三個(gè)基本規(guī)律和相關(guān)性質(zhì)，式中，-波長，m； t-黑體絕對(duì)溫度，k； c1-第一輻射常數(shù)，3.74310-16Wm2； c2-第二輻射常數(shù)，1.438710-2mK； 圖12-6是基于上述公式描繪的黑體光譜輻射力的波長與溫度之間的依賴關(guān)系。 某溫度下的Eb有最大值，對(duì)應(yīng)的波長為m，m和t的關(guān)系由周Wien位移定律給出，Planck定律(黑體輻射的第一基本定律)是黑體輻射能量的頻譜特性，即黑體輻射力Eb， (2)史蒂芬波茲曼定律Stefan-Boltzmannlaw (黑體輻射的第二基本定律)顯示了黑體輻射力e和熱力學(xué)溫度的依賴關(guān)系。 式中，0=5.6710-8W/(m2K4)是黑體輻射系數(shù)。 黑體的放射力與絕對(duì)溫度的4次方成比例。四次方定律、例題：黑體表面放在室溫27的現(xiàn)場。 在熱平衡條件下求出黑體表面的輻射力。 如果將黑體加熱到327，放射力會(huì)達(dá)到多少？解：熱平衡條件下，黑體溫度與室溫相同，等于27。 根據(jù)四次方定律，輻射力為：327黑體輻射力為：黑體輻射力與熱力學(xué)溫度的四次方成比例，因此，輻射力隨著溫度的升高而急劇增大。 在上述例子中，可知溫度T2只是T1的2倍，但放射力的比高16倍。 (3)朗貝爾馀弦Lanbert定律(黑體輻射的第三基本定律):顯示了黑體輻射與立體角的關(guān)系。 實(shí)際物體的放射力和同溫度黑體的放射力之比稱為該物體的黑度(或放射率)。 4基爾霍夫定律(實(shí)際物體和灰體的輻射)、實(shí)際物體的單色輻射力和同溫度黑體的單色輻射力之比被稱為該物體的單色黑度(或單色輻射率)。 物體單色的黑色度不隨波長變化的物體叫灰體。 灰體：指與單色黑度和波長無關(guān)的物體，輻射和吸收輻射與黑體形式完全相同，只是減少了相同的比例。 自然界中不存在灰，只是虛擬物體。 灰體放射力的計(jì)算：基爾霍夫定律，物體的放射能力和它吸收放射能力的關(guān)系。 基爾霍夫定律反映了實(shí)際物體的發(fā)射和吸收的關(guān)系。 Semi-transparentmedium在熱平衡條件下物體某一方向的單色黑度等于該單色的吸收率。 以相同溫度為前提，物體的輻射力越大，其吸收率也越大。 因?yàn)樗形矬w的吸收率總是小于1，所以在相同溫度條件下黑體的輻射力為最大?；鶢柣舴蚨傻囊恍┙Y(jié)論是，對(duì)于灰體，(1)=常數(shù)(2)投入輻射不管是否來自黑體，其吸收率都等于同溫度下的黑度。 第三節(jié)輻射熱交換計(jì)算，物體的表面尺寸、形狀和位置的相對(duì)位置稱為空間熱電阻，輻射熱交換的熱電阻有兩個(gè)方面：輻射力不比黑體大，稱為表面熱電阻。 黑體間的輻射熱交換，把來自表面1的輻射能量中落到表面2的能量所占的百分比稱為表面1對(duì)表面2的角系數(shù)。 第四節(jié)氣體輻射、氣體輻射的特征、不同的氣體、輻射和吸收能力不同。 與單原子氣體對(duì)稱結(jié)構(gòu)的二原子氣體，例如O2、N2、H2等被認(rèn)為是透明體. CO2、H2O等多原子氣體和CO等結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的二原子氣體，具有很大的輻射力和吸收率。 氣體輻射對(duì)波長有選擇性，不能是灰體。 第四節(jié)氣體輻射、氣體輻射的特征、固體輻射和吸收在薄表面上進(jìn)行，氣體輻射和吸收在氣體容積整體上進(jìn)行，與氣體容器中的分子數(shù)和容器的形狀和容積有關(guān)。 例題：為什么在保溫瓶夾層玻璃表面鍍反射率高的材料？抽真空的目的是什么？回答： (1)在保溫瓶夾層玻璃表面涂上反射率高的材料，可以反射輻射的能量，減少輻射傳熱。 (2)三明治抽真空的目的是減少熱傳導(dǎo)和對(duì)流熱傳導(dǎo)。 例題：為什么大氣中的CO2含量增加，地球溫度上升？a:co2氣體對(duì)熱輻射波長有選擇性的輻射和吸收。 其光帶都位于紅外區(qū)域，對(duì)太陽輻射呈透明體的性質(zhì)，對(duì)放射到地球表面的紅外波長有吸收作用，阻礙了地球的熱輻射進(jìn)入宇宙，起到了“溫室效應(yīng)”的作用，地球的氣溫上升。 我們來說明一下綠色溫室效應(yīng)、蔬菜大棚溫室效應(yīng)的傳熱學(xué)原理吧。 答：塑料薄膜對(duì)熱輻射具有選擇性透射特性，對(duì)太陽的短波輻射透射率高，對(duì)蔬菜的長波輻射不透明，因此太陽光照射會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)。 對(duì)玻璃屋的保溫也是如此。 thesurfcoaceoftearth， whichwarmsupduringthedayasaresulttonftheabsorptionofsolarisenergy coolsddownotightbyradingingindoteeepaspacesasinfrarydration co2andwatervaporintheatmospheretriansmitthebulkothesolarar diationbutabsorbtheinfrareddriationetdbythesurfaceoftearth.thus ther gytrappedearthwillevelentuseglobalwarminghsdrasticchangesinweatherpatterns.inhumidplacessuchascoastalareas thereisnotalargech nighttimetemperatures， becauseehethidityactsabab