《熱工與流體力學(xué)基礎(chǔ)》課件14第十四章 輻射換熱

第十四章

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，闡述了熱輻射的兩個基本定律，最后引入角系數(shù)的概念，并延伸到兩固體壁面間的輻射換熱計(jì)算。

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—玻爾茲曼定律及基爾霍夫定律的實(shí)質(zhì)。4.理解角系數(shù)的概念，能參照相關(guān)資料，由表或圖線求出角系數(shù)。5.了解固體壁面之間的輻射換熱的計(jì)算方法，能對固體壁面之間簡單的工程問題進(jìn)行輻射換熱的分析和計(jì)算。6.了解氣體輻射的特點(diǎn)。

本章難點(diǎn)1.黑體是一種理想的概念，對黑體的理解有一定難度，但它對輻射換熱的研究起著重要作用。由黑體過渡到一般物體，是由易到難，由特殊到普通的研究方法。2.角系數(shù)的概念理解起來有一定難度，從物理概念入手，理解角系數(shù)的物理含義會比較容易些。3.兩固體表面間的輻射換熱計(jì)算較難，應(yīng)結(jié)合例題與習(xí)題加強(qiáng)練習(xí)。

第一節(jié)

熱輻射的基本概念和基本定律

輻射

、輻射能

物體以電磁波的形式傳遞能量的過程稱為輻射，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，將熱能轉(zhuǎn)變成輻射能，以電磁波的形式向外輻射的過程稱為熱輻射。

一、熱輻射的基本概念

熱輻射1.熱輻射的本質(zhì)和特點(diǎn)

熱射線

電磁波譜

熱輻射產(chǎn)生的電磁波，包括全部可見光(

為0.38～0.76

m）

、部分紫外線（

＜0.38

m）和部分紅外線（

＞0.76

m）

。

常用波長來描述電磁波一般可將熱輻射看成紅外線輻射。

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)來傳遞熱量，可以在真空中進(jìn)行熱量傳播。

（2）熱輻射過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)。（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如太陽

當(dāng)熱射線投射到物體表面上時，也發(fā)生吸收、反射和透射現(xiàn)象。

2.吸收、反射和透射或

即

熱射線是電磁波，也遵循可見光射線的規(guī)律

吸收率

反射率

透射率

總輻射能A

1，即R

D

0，物體能吸收全部的輻射能。

3.黑體、白體和透熱體R

1，即A

D

0，投射到物體上的輻射能被全部反射。

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

黑體

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

D

1，即A

R

0，投射到物體上的輻射能被全部透過。

如絕對干燥空氣一般來講，固體和液體都是不透熱體。氣體反射率為0。4.灰體A＜1，且吸收率不隨波長而改變（A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。

工程中為簡化輻射換熱計(jì)算而引入

1.斯蒂芬—玻爾茲曼定律二、熱輻射的基本定律

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)。

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

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。2.基爾霍夫定律

當(dāng)灰體2表面本身發(fā)射出的輻射能E2投射到黑體1表面上時，全部被黑體表面所吸收。而黑體1表面發(fā)射出的輻射能Eb1投射到灰體2表面上時，僅有部分能量A2Eb1被灰體吸收，剩余部分的能量（1

A2）Eb1則被反射回黑體，并被黑體全部吸收。揭示了實(shí)際物體在熱平衡狀態(tài)下輻射力與吸收率之間的關(guān)系

平壁1(黑體):表面輻射力Eb1

、溫度T1、吸收率A1（

1）;平壁2(灰體):表面輻射力E2、溫度T2、吸收率A2

設(shè)有兩個距離很近的平行大平壁:平壁1(黑體)

和平壁2(灰體)。當(dāng)T1

T2時，兩表面處于熱輻射的平衡狀態(tài)，即：q

0

灰體2表面發(fā)出的能量為E2，吸收的能量為A2Eb1，兩者的差值即為平壁間輻射換熱的熱流密度q。

基爾霍夫定律或

推及其它物體，有

說明：在熱平衡條件下，任何物體的輻射力和吸收率之比恒等于同溫度下黑體的輻射力，并且只和溫度有關(guān)?；鶢柣舴蚨桑?）物體的輻射力越大，其吸收率也越大。善于發(fā)射的物體也善于吸收。

結(jié)論

基爾霍夫定律（2）實(shí)際物體的輻射力恒小于同溫度下黑體的輻射力。

（3）物體的吸收率等于同溫度下該物體的黑度。

該式在太陽輻射吸收中不適用

上式即為基爾霍夫定律表達(dá)式。

第二節(jié)

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、大小及相對位置有關(guān)。

（a）板1輻射到板2的能量最多;（c）板1對板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1A1或A2兩個極大的平行面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—圓盤形；2—正方形；3—長方形（邊之比為2:1）；4—長方形（狹長）二、兩固體間的輻射換熱

工程上常見的兩固體(灰體1、2

)相互輻射傳熱的過程，是兩者之間輻射能的反復(fù)發(fā)射和反射過程

。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，取輻射面積較小的一個（見表14-1中A1)。

例14-2一根直徑為d

50mm、長度為L

10m的鋼管被置于橫斷面為1m

1m的磚槽通道內(nèi)。鋼管溫度為t1

227℃，黑度為

1

0.8。磚槽壁面溫度為t2

27℃，黑度為

2

0.9。計(jì)算該鋼管的輻射熱損失。

例14-3為減少平行平面間的輻射換熱量，將一平板（遮熱板）放置于面積均為A的兩平行平板之間，如圖14-7所示。已知兩平行板的溫度分別為T1、T2，黑度分別為

1、

2，其中放置遮熱板后兩平行板的溫度T1、T2不變，且遮熱板的面積也為A，遮熱板的兩面黑度相等，均等于

3。假定這些平板的尺寸比它們之間的距離大得多，試求加入遮熱板后兩平行平板間的輻射換熱量減少為原來的百分之幾。

第三節(jié)氣體輻射

在工業(yè)上常遇到的高溫范圍內(nèi)，分子結(jié)構(gòu)對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，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煙氣的影響很大。一、氣體輻射和吸收的特點(diǎn)（1）氣體的輻射和吸收對波長有強(qiáng)烈的選擇性。

氣體只能輻射和吸收光帶的能量，對光帶以外的熱射線，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波長范圍/

m帶寬/

m波長范圍/

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，還與外來的波長范圍有關(guān)

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

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

（2）氣體的輻射和吸收是在整個容積中進(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)雜換熱過程

第四節(jié)太陽輻射

太陽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)地球的太陽射線近似于平行。

由于太陽溫度高達(dá)數(shù)千萬度，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％，太陽輻射能量中:

可見光部分（0.38

m≤

≤0.76

m）約占44.6％，

紅外線部分（

＞0.76

m）約占45.4％。

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

1367W/m2

1.6W/m2

Sc為太陽常數(shù)由Sc

，可算得太陽表面相當(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輻射能為

Gs

fSccos

f

:地球繞太陽運(yùn)行軌道非圓形的修正，f

0.97～1.03

:太陽射線與水平面法線的夾角，稱天頂角。

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

太陽輻射1.大氣層的吸收作用

大氣層中的O3、O2、H2O、CO2等氣體對太陽輻射的吸收具有明顯的選擇性。臭氧（O3）紫外線H2O、CO2紅外線部分可見光O2、O3塵埃、污染物各類射線2.大氣層的散射作用太陽輻射

瑞利散射（或分子