傳熱學(xué) 第五章 輻射換熱(Radiation Heat Transfer)

1、第五章 輻射換熱(Radiation Heat Transfer) 5.1輻射的基本概念 一、輻射的本質(zhì) 輻射物體通過(guò)電磁波傳遞能量的過(guò)程 熱輻射是由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)，而將部分內(nèi)能轉(zhuǎn)變成電磁波的能量發(fā)射出去的過(guò)程。熱輻射的三大特點(diǎn) 可以在真空中傳播； 能量形式在傳播過(guò)程中發(fā)生了變化 一切物體只要溫度大于0K，就會(huì)不停地發(fā)射熱射線。 5.1輻射的基本概念 由于起因不同，物體發(fā)射電磁波的波長(zhǎng)也不同，可分為： 5.1輻射的基本概念 由于起因不同，物體發(fā)射電磁波的波長(zhǎng)也不同，可分為： 0.38m 紫外線、X射線、射線 0.380.76m 可見(jiàn)光 0.761000m 紅外線 0.76

2、4m 近紅外 41000m 無(wú)線電波 熱輻射的波段=0.1100m 5.1輻射的基本概念 熱輻射具有一般輻射現(xiàn)象的共性，以光速傳播： cc ：電磁波的傳播速度，3108m/s：頻率1/s ：波長(zhǎng)m輻射的本質(zhì)極其傳播過(guò)程除了用電磁波理論來(lái)說(shuō)明外，對(duì)有些現(xiàn)象 還需進(jìn)一步用量子理論來(lái)解釋。即：輻射的本質(zhì)既具有波動(dòng)性，又具有粒子性。輻射的粒子性表明：輻射是離散的量子化能量束， 是光子傳播能量的過(guò)程。 光子的能量e與頻率的關(guān)系可以普朗克公式表示： eh h6.6310-34J.S二、吸收率、反射率、穿透率 5.1輻射的基本概念 投入輻射: 單位時(shí)間內(nèi)投射到單位面積物體表面上的全波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射能。G W

3、/m2 吸收比 反射比透射比 根據(jù)能量守恒，二、吸收率、反射率、穿透率 5.1輻射的基本概念 注意： （1） 屬于物體的輻射特性，取決于物體的種類、溫度和表面狀況，是波長(zhǎng)的函數(shù)。 不僅取決于物體的性質(zhì)，還與投射輻射能的波長(zhǎng)分布有關(guān)。 （2）固體和液體對(duì)輻射能的吸收和反射基本上屬于表面效應(yīng)：金屬的表面層厚度小于1m；絕大多數(shù)非金屬的表面層厚度小于1mm。 （3）對(duì)于固體和液體， 。二、吸收率、反射率、穿透率 5.1輻射的基本概念 注意： 鏡反射與漫反射： 產(chǎn)生何種反射決于物體表面的粗糙程度和投射輻射能的波長(zhǎng) 。黑體模型及其重要性5.1輻射的基本概念 對(duì)于黑體： 鏡體或白體：透明體：111人工黑體

4、：空腔上的小孔接近于黑體。白天從 遠(yuǎn)處看房屋的窗戶有黑洞洞的感覺(jué)。5.1輻射的基本概念 1889年O.lummer等測(cè)定了黑體輻射光譜能量分布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。1879年J.Stefan根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確立了黑體輻 射力正比絕對(duì)溫度的四次方規(guī)律。1884年L.Boltzmann從理論上證實(shí)了上述定律。1896年Wien位移定律。19世紀(jì)末L.Rayleigh-J.H.Jeans公式。輻射換熱的發(fā)展歷史1900年M.Planck定律。JOSEF STEFAN1835-1893 Austrian physicist Ludwig Boltzmann 1844 -1906 Italy physicist Wi

5、lhelm Wien 1864 -1928 Germany physicist Lord Rayleigh 1842 -1919 England physicist Max Planck 1858 -1947 Germany physicist 太陽(yáng)能利用的簡(jiǎn)述太陽(yáng)可說(shuō)是地球上最大的能源，太陽(yáng)光每天到達(dá)地面的能量約為全世界石油蘊(yùn)藏量的1/4，且又不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染。由于化石燃料的價(jià)格猛增和環(huán)境壓力的需求，太陽(yáng)能目前成為新一代最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉串a(chǎn)業(yè)。 5.1輻射的基本概念 太陽(yáng)能的利用方式光熱利用 將太陽(yáng)輻射能收集起來(lái)，轉(zhuǎn)換熱能加以利用。目前使用的太陽(yáng)能收集裝置，主要有平板型集熱器、真空管集熱器和

6、聚焦集熱器等3種。 太陽(yáng)能發(fā)電 光熱電轉(zhuǎn)換。 光電轉(zhuǎn)換。 光化利用 直接分解水制氫 光生物利用 5.1輻射的基本概念 5.1輻射的基本概念 小作業(yè)1：觀察生活中的一些現(xiàn)象，提出若干個(gè)可以應(yīng)用太陽(yáng)能的設(shè)想。（如便攜式充電。）2：通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)檢索，畫(huà)出一張熱電“光熱電”轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)圖。5.1輻射的基本概念 5.2黑體輻射的基本定律 5.2黑體輻射的基本定律 5.2黑體輻射的基本定律 5.2黑體輻射的基本定律 5.2黑體輻射的基本定律 對(duì)服從蘭貝特定律的輻射，可以得到：說(shuō)明：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位面積發(fā)出的輻射能，落到不同空間單位立體角內(nèi)的數(shù)量不同，其數(shù)值正比于該方向與輻射表面法線方向夾角的余弦，故又稱蘭貝特定

7、律為余弦定律。定向輻射強(qiáng)度L與輻射力Eb之間的關(guān)系為：5.2黑體輻射的基本定律 5.3 兩無(wú)限大黑體平板間的輻射換熱 （光譜發(fā)射率）5.4 實(shí)際物體的輻射與吸收 eqeqeqeq5.4 實(shí)際物體的輻射與吸收 如嚴(yán)重氧化的鋁50 500 5.4 實(shí)際物體的輻射與吸收 (光譜吸收率)5.4 實(shí)際物體的輻射與吸收 5.4 實(shí)際物體的輻射與吸收 5.4 實(shí)際物體的輻射與吸收 例子：實(shí)際物體與黑體間的輻射換熱。當(dāng)處于熱平衡時(shí)得到：5.5基爾霍夫定律5.5基爾霍夫定律5.5基爾霍夫定律例題 溫度為310K的4個(gè)表面置于太陽(yáng)光的照射下，設(shè)此時(shí)各表面的光譜吸收比隨波長(zhǎng)的變化如圖所示。試分析在計(jì)算與太陽(yáng)能的熱交

8、換時(shí)，哪些表面可以看作灰體處理？為什么？5.6無(wú)限大灰體間輻射換熱特性5.7 漫射表面間的角系數(shù)5.7 漫射表面間的角系數(shù)A1A2A1A2acdb12125.7 漫射表面間的角系數(shù)125.8 灰表面間的輻射換熱 （相當(dāng)于無(wú)限大平板）（室內(nèi)電爐子、熱電偶測(cè)溫）5.8 灰表面間的輻射換熱 例：三個(gè)灰表面間的輻射換熱重輻射表面對(duì)封閉腔內(nèi)輻射換熱的影響重輻射表面的溫度輻射換熱的強(qiáng)化與削弱問(wèn)題電暖器及電爐取暖問(wèn)題太陽(yáng)能熱水器問(wèn)題冬天洗澡問(wèn)題植物結(jié)霜問(wèn)題提高熱電偶測(cè)溫精度問(wèn)題5.8 灰表面間的輻射換熱 已知一個(gè)正四面體，每面面積為2m2。其中兩個(gè)面為黑體，溫度分別為1200K和500K，另兩個(gè)面為黑度0.

9、8的灰體并絕熱。求兩個(gè)黑體表面間的輻射換熱熱流及另兩個(gè)絕熱面的溫度。5.9 氣體輻射 臭氧是在大氣中產(chǎn)生的一種氣體。平流層中的氧氣在太陽(yáng)紫外輻射下發(fā)生反應(yīng)生成臭氧。臭氧分子由三個(gè)氧原子組成。 太陽(yáng)射線包含一定的紫外成分。紫外輻射的波長(zhǎng)范圍從100nm到400nm，可分為三個(gè)波段：UV-A（315-400nm），UV-B（280-315nm）和UV-C（100280nm）。陽(yáng)光穿過(guò)大氣層時(shí)，UV-C無(wú)法通過(guò)，UV-B只能通過(guò)約10%。它們主要被臭氧吸收。大氣層對(duì)UV-A幾乎沒(méi)有影響。因此到達(dá)地表的紫外線主要由UV-A和少量UV-B組成。大氣中臭氧濃度的降低導(dǎo)致UV-B水平的升高。近年來(lái)，臭氧層受

10、到氟氯代烷等氣體的破壞，這種現(xiàn)象已引起人們的普遍關(guān)注，并采取各種措施，減少并逐步停止氟氯代烷等的生產(chǎn)和使用，保護(hù)臭氧層。 5.9 氣體輻射 溫室效應(yīng) 溫室效應(yīng)(英文：Greenhouse effect)，是大氣保溫效應(yīng)的俗稱。大氣能使太陽(yáng)短波輻射到達(dá)地面，但地表向外放出的長(zhǎng)波熱輻射線卻被大氣吸收，這樣就使地表與低層大氣溫度增高。自工業(yè)革命以來(lái)，人類向大氣中排入的二氧化碳等吸熱性強(qiáng)的溫室氣體逐年增加，大氣的溫室效應(yīng)也隨之增強(qiáng)，已引起全球氣候變暖等一系列嚴(yán)重問(wèn)題，引起了全世界各國(guó)的關(guān)注。 5.9 氣體輻射 溫室效應(yīng) 溫室效應(yīng)對(duì)環(huán)境的影響：1：氣候轉(zhuǎn)變：全球變暖 赤道和熱帶地區(qū)幾乎不升溫，升溫主要集中在高緯度地區(qū) 。2：地球上的病蟲(chóng)害增加 3：海平面上升4：氣候反常，海洋風(fēng)暴增多 5：土地干旱，沙漠化面積增大 人類的對(duì)策1：增加碳吸收（保護(hù)森林，植樹(shù)等） 2：減少碳排放（汽車尾氣，可再生能源替代化學(xué)能等）5.9 氣體輻射 5.9 氣體輻射 5.9 氣體輻射 xL5.9 氣體輻射 貝爾定律式中，L是輻射通過(guò)的路程長(zhǎng)度，常稱之為射線程長(zhǎng)。從上式可知，熱輻射在氣體內(nèi)呈指數(shù)規(guī)律衰