第10章-輻射換熱

第10章輻射換熱學(xué)習(xí)導(dǎo)引

熱輻射的傳熱現(xiàn)象與導(dǎo)熱、熱對(duì)流相比有著本質(zhì)的區(qū)別。物體之間以熱輻射的形式實(shí)現(xiàn)熱量交換的現(xiàn)象稱為輻射換熱。本章主要介紹熱輻射的本質(zhì)、特點(diǎn)及其有關(guān)的基本概念，闡述了熱輻射的基本定律。學(xué)習(xí)要求本章重點(diǎn)是理解熱輻射的基本概念和基本定律，通過(guò)學(xué)習(xí)應(yīng)達(dá)到以下要求：1.掌握熱輻射和輻射換熱的本質(zhì)與特點(diǎn)。2.理解有關(guān)熱輻射的吸收、反射、透射、黑體、白體、透熱體及灰體等基本概念。3.理解斯蒂芬—玻爾茲曼定律的實(shí)質(zhì)。4.了解氣體輻射的特點(diǎn)。

主要內(nèi)容§10.1熱輻射的基本概念§10.2熱輻射的基本定律§10.3固體壁面之間的輻射換熱§10.4氣體輻射和太陽(yáng)輻射簡(jiǎn)介§10.1熱輻射的基本概念一、熱輻射的概念二、熱輻射的特點(diǎn)三、輻射換熱四、熱輻射的性質(zhì)一、熱輻射的概念物體以電磁波的形式傳遞能量的過(guò)程稱為輻射，被傳遞的能量稱為輻射能。

因熱的原因激發(fā)物質(zhì)內(nèi)部微觀粒子振動(dòng)，將熱能轉(zhuǎn)變成輻射能，以電磁波的形式向外輻射的過(guò)程稱為熱輻射。

電磁波譜

熱射線——熱輻射產(chǎn)生的電磁波，包括全部可見(jiàn)光(

為0.38～0.76

m）、部分紫外線（

＜0.38

m）和部分紅外線（

＞0.76

m）

。一般可將熱輻射看成紅外線輻射。常用波長(zhǎng)來(lái)描述電磁波二、熱輻射的特點(diǎn)（1）熱輻射不需要冷、熱物體直接接觸，也不需要中間介質(zhì)來(lái)傳遞熱量，可以在真空中進(jìn)行熱量傳播。（2）熱輻射過(guò)程不僅有能量的傳遞，而且還伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)換。

物體輻射

熱能

輻射能

物體吸熱

（3）任何物體的溫度只要高于0K，都可以不停地向外發(fā)射電磁波。溫度愈高,熱輻射的能力愈強(qiáng)。具有強(qiáng)烈的方向性；

輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)。（4）輻射換熱是物體之間相互輻射和吸收的總效果。

高溫物體低溫物體熱輻射是熱量傳遞的基本方式之一三、輻射換熱1、輻射換熱：物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞，它與單純的熱輻射不同，就像對(duì)流和對(duì)流換熱一樣。2、輻射換熱的特點(diǎn)A、不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的存在，在真空中就可以傳遞能量。B、在輻射換熱過(guò)程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換。C、無(wú)論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁波能、相互輻射能量；高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能量；總的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫。1、當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時(shí)，一般會(huì)發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透

。四、熱輻射的性質(zhì)α1，即ρ

τ

0，物體能吸收全部的輻射能。

2、黑體、白體和透熱體ρ

1，即α

τ

0，投射到物體上的輻射能被全部反射。

材料的性質(zhì)及其表面粗糙度對(duì)吸收率有重大影響。一般來(lái)講，物體的表面越粗糙，吸收率就越大。

黑體：能吸收投入到其表面上的所有熱輻射的物體，包括所有方向和所有波長(zhǎng)，因此，相同溫度下，黑體的吸收能力最強(qiáng)。

白體(鏡體)

如磨光的金屬表面凡屬黑體的一切量均加下角標(biāo)b均為假定的理想物體如電影院內(nèi)壁

透熱體

τ

1，即α

ρ

0，投射到物體上的輻射能被全部透過(guò)。

如絕對(duì)干燥空氣一般來(lái)講，固體和液體都是不透熱體。氣體反射率為0。4.灰體α＜1，且吸收率不隨波長(zhǎng)而改變（α為常數(shù)）的物體。

絕大多數(shù)的工程材料在熱輻射范圍內(nèi)均可近似為灰體處理。

工程中為簡(jiǎn)化輻射換熱計(jì)算而引入對(duì)于大多數(shù)的固體和液體：對(duì)于不含顆粒的氣體：對(duì)于黑體：鏡體或白體：透明體：一、斯蒂芬—玻爾茲曼定律§11.2熱輻射的基本定律輻射力：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射的全波長(zhǎng)輻射能的總和。單位為W/㎡

黑體輻射力Eb與黑體熱力學(xué)溫度的四次方成正比，又稱為四次方定律，即

或揭示了黑體的輻射能力與其溫度之間的關(guān)系

b:黑體輻射常數(shù)，其值為5.6710-8W/(m2K4)；T

:黑體表面的熱力學(xué)溫度，K。Cb:黑體輻射系數(shù)，其值為5.67W/(m2K4)。

一、斯蒂芬—玻爾茲曼定律單色輻射力——物體在某一溫度下，單位時(shí)間內(nèi)單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射的某一波長(zhǎng)的輻射能稱為單色輻射力。（光譜輻射力）Eλ。E、Eλ關(guān)系:顯然，E和Eλ之間具有如下關(guān)系：

例14-1試計(jì)算一黑體表面溫度分別為25℃及500℃時(shí)輻射力的變化。

二、黑度

實(shí)際物體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之比稱為實(shí)際物體的黑度（也稱為物體的發(fā)射率），用

表示。即

工程上最重要的是確定實(shí)際物體（灰體）的輻射力黑度的物理意義：

恒小于1。

物體的黑度是物體本身的一種性質(zhì)。

它表明物體的輻射能力接近于黑體的程度。

表面粗糙的物體或氧化金屬表面具有較大的黑度。

常用工程材料的黑度由實(shí)驗(yàn)確定，可在附錄和有關(guān)手冊(cè)中查出。

根據(jù)黑度得到實(shí)際物體輻射力的計(jì)算公式

絕大部分非金屬材料的黑度在0.85～0.95之間，且與表面狀況的關(guān)系不大?？山迫∽?.9。

磨光的金屬表面黑度較小。

白體和透熱體其黑度小到為零。

§10.3固體壁面之間的輻射換熱一、角系數(shù)

物體間的輻射換熱量除與物體的表面溫度和黑度有關(guān)外，還與物體換熱表面的幾何形狀、大小及相對(duì)位置有關(guān)。

（a）板1輻射到板2的能量最多;（c）板1對(duì)板2的輻射能量為零;（b）則介于兩種之間。

兩固體表面之間的輻射換熱量與兩表面間的相對(duì)位置有很大關(guān)系

由輻射面直接落到接收面上的能量與輻射面發(fā)出的全部能量之比稱為角系數(shù)X。

角系數(shù)

1

:輻射面1發(fā)射出的能量，W；

2

:輻射面2發(fā)射出的能量，W；

1→2

:輻射面1發(fā)出的能量落到接收面2上的能量；

2→1

:輻射面2發(fā)出的能量落到接收面1上的能量。角系數(shù)的值永遠(yuǎn)小于1。表14-1幾種特殊情況的X值與C1,2的計(jì)算式

一旦兩固體表面的表面積和相對(duì)位置確定了，它們的角系數(shù)數(shù)值也就確定了。

角系數(shù)①此處的X值可由圖14-6查得。54321序號(hào)1A1或A2兩個(gè)極大的平行面1A1在3、4兩種情況之間1A1物體2恰好包住物體1，A1≈A2

1Cb

1A1很大的物體2包住小物體1

1

2Cb

＜1①A1面積有限的兩相等平行面總輻射系數(shù)C1,2

角系數(shù)X面積A輻射情況角系數(shù)=

圖14-6平行面間直接輻射熱交換的角系數(shù)=

1—圓盤(pán)形；2—正方形；3—長(zhǎng)方形（邊之比為2:1）；4—長(zhǎng)方形（狹長(zhǎng)）二、兩固體間的輻射換熱

工程上常見(jiàn)的兩固體(灰體1、2

)相互輻射傳熱的過(guò)程，是兩者之間輻射能的反復(fù)發(fā)射和反射過(guò)程

。兩固體間輻射換熱的總結(jié)果為溫度較高的物體傳遞給溫度較低物體的凈熱量。兩固體表面間的凈輻射換熱量可按下式計(jì)算

式中

A

輻射換熱的計(jì)算基準(zhǔn)面積，m2；當(dāng)兩固體的輻射面積不相等時(shí)，取輻射面積較小的一個(gè)（見(jiàn)表14-1中A1)。C1，2——總輻射系數(shù)

例

一根水平放置的蒸汽管道，其保溫層外徑d=583mm，外表面實(shí)測(cè)平均溫度及空氣溫度分別為tw=48℃，tf=23℃。此時(shí)空氣與管道外表面間的自然對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=3.42W/(m2K),保溫層外表面的發(fā)射率ε=0.9問(wèn)：（1）此管道的散熱必須考慮哪些熱量傳遞方式；（2）計(jì)算每米長(zhǎng)度管道的總散熱量。（3）計(jì)算結(jié)果說(shuō)明什么問(wèn)題？

§10.4氣體輻射和太陽(yáng)輻射簡(jiǎn)介

在工業(yè)上常遇到的高溫范圍內(nèi)，分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱的雙原子氣體可視為透熱體，如：O2、N2、H2等；

分子結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的雙原子氣體及多原子氣體都具有相當(dāng)大的輻射能力和吸收能力，如：CO、CO2、H2O、CH4。前面在討論固體表面間的輻射換熱時(shí)，由于表面溫度不高，不考慮固體表面間的介質(zhì)(認(rèn)為是透熱體)對(duì)輻射換熱的影響

工程上，煙氣（或燃?xì)猓┲械亩趸己退魵馐侵饕木哂休椛淠芰Φ臍怏w，其輻射和吸收特性對(duì)煙氣的影響很大。自學(xué)一、氣體輻射和吸收的特點(diǎn)（1）氣體的輻射和吸收對(duì)波長(zhǎng)有強(qiáng)烈的選擇性。

氣體只能輻射和吸收光帶的能量，對(duì)光帶以外的熱射線，氣體就成為透熱體。

光帶:氣體輻射和吸收的波長(zhǎng)范圍。氣體的輻射光譜和吸收光譜不連續(xù)1—黑體；2—灰體；3—?dú)怏w氣體的輻射能力仍可用其黑度來(lái)表征。表14-2水蒸氣和二氧化碳的輻射和吸收光帶

部分光帶重疊

氣體輻射光帶氣體種類H2OCO2波長(zhǎng)范圍/

m帶寬/

m波長(zhǎng)范圍/

m帶寬/

m2.24～3.271.032.36～3.020.664.8～8.53.74.01～4.80.7912～251312.5～16.54.0氣體的吸收率不再與其黑度相等，不能近似地作為灰體處理。氣體的吸收能力除與本身情況有關(guān)外，還與外來(lái)的波長(zhǎng)范圍有關(guān)

當(dāng)輻射能投射到氣體界面上時(shí)，輻射能穿過(guò)氣體界面并進(jìn)入氣體層，在透過(guò)氣體層的過(guò)程中不斷被氣體吸收，最后只有部分能量穿透整個(gè)氣體層。

當(dāng)氣體層對(duì)某一界面輻射時(shí)，實(shí)際上是整個(gè)氣體層中各處的氣體對(duì)該界面輻射的總和。

（2）氣體的輻射和吸收是在整個(gè)容積中進(jìn)行的。

氣體輻射固體的輻射和吸收是在表面進(jìn)行的

二、火焰輻射

鍋爐內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生的火焰與四周受熱面（水冷壁）之間進(jìn)行輻射傳熱的過(guò)程稱為爐內(nèi)輻射換熱。

火焰輻射近似于固體輻射，可近似地作為灰體處理。

發(fā)光火焰的輻射特性與其所含微粒的大小和數(shù)量有關(guān)。

火焰中含有煤粒、飛灰與煙渣等具有輻射能力強(qiáng)的固體微粒

為復(fù)雜換熱過(guò)程

三、太陽(yáng)輻射

太陽(yáng)的巨大能量完全靠輻射方式送達(dá)地球表面;由于距離遙遠(yuǎn)，到達(dá)地球的太陽(yáng)射線近似于平行。

由于太陽(yáng)溫度高達(dá)數(shù)千萬(wàn)度，它向宇宙空間輻射的能量中約98％集中在0.2

m≤

≤3

m的短波區(qū)。

紫外線部分（

＜0.38

m）約占8.7％，太陽(yáng)輻射能量中:

可見(jiàn)光部分（0.38

m≤

≤0.76

m）約占44.6％，

紅外線部分（

＞0.76

m）約占45.4％。

在太陽(yáng)和地球的平均距離上，在地球大氣層外緣與太陽(yáng)射線垂直的單位面積上接收到的太陽(yáng)輻射能為太陽(yáng)輻射Sc

1367W/m2

1.6W/m2

Sc為太陽(yáng)常數(shù)由Sc

，可算得太陽(yáng)表面相當(dāng)于溫度為5762K的黑體。

地球大氣層外緣某區(qū)域水平面上單位面積所接受到的太陽(yáng)輻射能為

Gs

fSccos

f

:地球繞太陽(yáng)運(yùn)行軌道非圓形的修正，f

0.97～1.03

:太陽(yáng)射線與水平面法線的夾角，稱天頂角。

太陽(yáng)射線在穿過(guò)大氣層時(shí)，沿程強(qiáng)度逐漸減弱，減弱程度與太陽(yáng)射線在大氣中的行程長(zhǎng)度、大氣的成分及被污染的程度有關(guān)。

太陽(yáng)輻射1.大氣層的吸收作用

大氣層中的O3、O