《傳熱學(xué)》課件-第十章 輻射換熱

第十章輻射換熱

210.1熱輻射的基本概念10.2熱輻射的基本定律10.4氣體輻射本章小結(jié)10.3物體間的輻射換熱概要

3本章基本要求1．掌握熱輻射、熱射線、黑體、白體、透明體及灰體等概念，掌握熱輻射的本質(zhì)。2．掌握四次方定律的實(shí)質(zhì)以及黑體和實(shí)際物體輻射力的計(jì)算，理解黑度的物理意義；維恩位移定律和基爾霍夫定律的內(nèi)容及得出的結(jié)論。3．掌握角系數(shù)的定義及性質(zhì)；理解輻射勢(shì)差、空間輻射熱阻及表面輻射熱阻的性質(zhì)及表達(dá)式。4．掌握兩黑體表面間的輻射換熱計(jì)算。掌握兩灰體表面間在簡(jiǎn)單情況下（如兩無限大平行平板間，或空腔內(nèi)包物體與空腔內(nèi)壁面間）的輻射換熱計(jì)算。5．理解增強(qiáng)與削弱輻射換熱的主要途徑，了解遮熱板原理及其在工程中的具體應(yīng)用;了解氣體輻射的主要特點(diǎn)。

410-1熱輻射的基本概念熱輻射的本質(zhì)及特點(diǎn)

輻射:物體向外發(fā)射電磁波的現(xiàn)象.熱輻射:由于熱的原因向外發(fā)射電磁波（圖）及（熱射線）的輻射。是三種熱傳遞方式之一.熱輻射的本質(zhì)就是熱射線的傳播過程。熱射線：波長(zhǎng)為0.1～100μm的電磁波。它包含紫外線(0.001～0.38μm)、可見光(0.38～0.76μm)和紅外線(0.76～1000μm)。

5電磁輻射波譜

6熱輻射特點(diǎn)任何物體，只要溫度高于零K，就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；可以在真空中傳播；伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；具有強(qiáng)烈的方向性；輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)；發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。

7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，如圖10-2所示。物體對(duì)熱輻射的吸收、反射和穿透圖10-2物體對(duì)熱輻射的吸收反射和穿透吸收比反射比透射比

8對(duì)于大多數(shù)的固體如金屬、磚、木材等。對(duì)于不含顆粒的氣體黑體白體透明體自然界中并不存在黑體、白體和透明體，它們是實(shí)際物體輻射的極限情況，但分析它們能找出規(guī)律。不能單純以顏色來判斷物體的吸收率，物體的性質(zhì)、表面狀況、本身的溫度和發(fā)射物體的溫度等都會(huì)影響物體的吸收率。如煤煙的α=0.96，白雪的α=0.98,高度磨光的純金的ρ=0.98；如白布和黑布對(duì)可見光的吸收率不同，但對(duì)紅外線的吸收率基本相同；有些玻璃只透可見光，而不透紅外線。黑體、白體和透明體

9人工黑體和灰體

人工黑體：一空腔上的小孔可視為人工黑體，在熱輻射的分析中有其特殊的重要性。

灰體：?jiǎn)紊毡扰c波長(zhǎng)無關(guān)的物體，常將工程中的材料視為灰體。

單色吸收比αλ：物體對(duì)某一波長(zhǎng)的吸收率。

1010-2黑體輻射的基本定律一、熱輻射能量的表示方法

輻射力E：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長(zhǎng)的能量總和。(W/m2)；

單色輻射力Eλ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)(包含某一給定波長(zhǎng))，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。(W/m3)；E、Eλ關(guān)系:黑體一般采用下標(biāo)b表示，如黑體的輻射力為Eb，黑體的單色輻射力為Ebλ

11斯忒藩

—玻爾茲曼定律

式中，C0=5.67W/(m2

K4)；為黑體的輻射系數(shù)σb=5.67×10-8W/(m2

K4)，是斯忒藩—玻爾茲曼常數(shù)。說明了黑體的輻射力與物體的熱力學(xué)溫度的四次方成正比。黑度ε：實(shí)際物體的輻射力與黑體輻射力之比。則實(shí)際物體的輻射力為：

12例題分析【例題10-1】設(shè)有一塊鋼板放在室溫27°C的車間中，問在熱平衡條件下，每平方米鋼板在單位時(shí)間內(nèi)需要從外界吸取多少熱量？如將鋼板加熱到627°C，它的輻射力為多大？鋼板的黑度取0.82.解：當(dāng)鋼板與周圍物體之間處于熱平衡時(shí)，其自身溫度也等于27°C。鋼板本身每平方米面積向外界輻射的能量為：鋼板在627°C對(duì)其輻射力為

13實(shí)際物體、黑體和灰體的輻射能量光譜

14某些工業(yè)材料的黑度材料溫度[℃]ε紅磚200.93耐火磚—0.8~0.9鋼板(氧化的)200~6000.8鋼板(拋光的)940~11000.55~0.61鋁(氧化的)200~6000.11~0.19鋁(拋光的)225~5750.039~0.057銅(氧化的)200~6000.57~0.87銅(拋光的)—0.03鑄鐵(氧化的)200~6000.64~0.78鑄鐵(拋光的)330~9100.6~0.7

15基爾霍夫定律

投入輻射：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射能

選擇性吸收：投入輻射本身具有光譜特性，因此，實(shí)際物體對(duì)投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長(zhǎng)的不同而變化，這叫選擇性吸收

吸收比：物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通常用

表示，即

16導(dǎo)出:1859年,基爾霍夫定律用熱力學(xué)方法導(dǎo)出了發(fā)射輻射與吸收輻射二者之間的聯(lián)系(即基爾霍夫定律定律)。推導(dǎo):用兩塊無限大平板間的熱力學(xué)平衡方法。如圖所示，板1時(shí)黑體，板2是任意物體，參數(shù)分別為Eb,T1以及E,,T2，則當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時(shí)，可導(dǎo)得平行平板間的輻射換熱表述：在熱平衡條件下，任何物體的輻射力與它對(duì)黑體的吸收率之比恒等于同溫度下黑體的輻射力。基爾霍夫定律的導(dǎo)出及表述

17從基爾霍夫定律得出如下結(jié)論輻射力大的物體，其吸收比就越大。同溫度下黑體的輻射力最大。由黑度定義，可得基爾霍夫定律的另一表達(dá)式：它說明：在熱平衡條件下，任意物體對(duì)黑體的吸收比等于同溫度下該物體的黑度。對(duì)灰體，無論是否處于熱平衡，其吸收比恒等于同溫度下的黑體。

1810-3物體間的輻射換熱

輻射角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計(jì)算介紹角系數(shù)概念前，先復(fù)習(xí)兩個(gè)概念

投入輻射G：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射到單位面積上的總輻射能，記為G。有效輻射J：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)離開單位面積的總輻射能為該表面的有效輻射，包括了自身的發(fā)射輻射E和反射輻射

G。G為投射輻射。

J=E+G有效輻射示意圖

19兩個(gè)無限大的平板間的角系數(shù)X1,2=X2,1=1X1,2=X2,1=01>X1,2=X2,1>0

20角系數(shù)概念

表面1對(duì)表面2的角系數(shù)X1,2是：表面1直接投射到表面2上的能量，占表面1輻射能量的百分比。即同理，也可以定義表面2對(duì)表面1的角系數(shù)X2,1。從這個(gè)概念我們可以得出角系數(shù)的應(yīng)用是有一定限制條件的，即漫射面、等溫、物性均勻。

21角系數(shù)性質(zhì)

基本性質(zhì)：角系數(shù)只與物體表面的形狀，尺寸以及物體間的相對(duì)位置有關(guān)，而與物體的性質(zhì)和溫度等無關(guān)，是純幾何因子。其它性質(zhì):相互性、完整性、可加性

22相對(duì)性表面1發(fā)射到2上的輻射能：

Eb1A1X1,2表面2發(fā)射到1的輻射能：

Eb2A2X2,1兩表面間輻射換熱為;

Φ1,2=Eb1A1X1,2-Eb2A2X2,1=0

A1X1,2=A2X2,1熱平衡時(shí)

23相對(duì)性應(yīng)用對(duì)兩相對(duì)很近的兩大平板：X1,2=X2,1=1對(duì)空腔內(nèi)包物體時(shí)：X1,2=1，X2,1=A1/A2

24黑體表面間的輻射換熱

黑體間的輻射換熱圖示Eb2Eb1

25有效輻射與表面輻射熱阻表面1的有效輻射：表面1與外界的輻射換熱：上兩式消去G1：對(duì)灰體α1=ρ1表面熱阻網(wǎng)絡(luò)圖J1Eb1

26表面輻射熱阻與空間輻射熱阻表面輻射熱阻:

它與物體表面性質(zhì)和表面積大小有關(guān),而與物體間相互位置和外來輻射無關(guān).注意：黑體的表面熱阻等于零。表面輻射熱阻網(wǎng)絡(luò)圖

空間輻射熱阻:

它只與物體間相互位置和表面積大小有關(guān),而與物體的溫度和表面性質(zhì)無關(guān).可見，每一對(duì)表面就有一個(gè)空間輻射熱阻?？臻g輻射熱阻網(wǎng)絡(luò)圖

27兩灰體表面組成的封閉系統(tǒng)的輻射換熱兩個(gè)表面的凈換熱量為2,11211,2222,1112,11=-=FXAJJXJAXJA表面1失去能量表面2獲得能量-

28由于Φ1,2=Φ1=Φ2

，以上三式聯(lián)合求得：（1）兩無限大平行平板灰體間，A1=A2，X1,2=X2,1=1（2）空腔內(nèi)包物體與空腔內(nèi)壁間：視A1/A2→0電廠廠房?jī)?nèi)熱管道向環(huán)境的散熱屬此情況兩灰體表面組成的封閉系統(tǒng)的輻射換熱

29【例10-2】計(jì)算車間內(nèi)蒸汽管道外表面的輻射散熱損失。已知管道保溫層的表面黑度為0.9，外徑為583mm，外壁溫度為48°C，室溫23°C。例題分析

30兩無限大平行灰體間輻射換熱

31輻射換熱的強(qiáng)化與削弱--遮熱板原理及應(yīng)用

由于工程上的需求，經(jīng)常需要強(qiáng)化或削弱輻射換熱。1、強(qiáng)化輻射換熱的主要途徑有兩種：

(1)增加系統(tǒng)黑度；(2)增加角系數(shù)。2、削弱輻射換熱的主要途徑有三種：

(1)降低黑度；(2)降低角系數(shù)；(3)加入隔熱板。其實(shí)插入防熱板相當(dāng)于降低了表面黑度。這里主要討論這種削弱輻射換熱的方式。遮熱板：在兩輻射換熱面之間放置的一黑度很小的，用于削弱輻射換熱的薄板。

32為簡(jiǎn)單起見，假設(shè)，則上式變?yōu)椋含F(xiàn)在在兩面之間插入一塊發(fā)射率仍為的遮熱板，這樣就組成了兩個(gè)換熱系統(tǒng)，如下圖10-16所示.遮熱板原理及應(yīng)用加遮熱板前

33加遮熱板后:可見，與沒有遮熱板時(shí)相比，輻射換熱量減小了一半。若在兩板間加入n板與壁面黑度相同的遮熱板，則

34例題分析【例10-3】?jī)善叫写笃奖?，表面黑度各?.5和0.8，如果中間加入一片黑度為0.05的鋁箔，試計(jì)算輻射換熱將減少的百分比。

35遮熱板在電廠中應(yīng)用(1)汽輪機(jī)中用于減少內(nèi)、外套管間輻射換熱。如圖所示(2)遮熱板用于提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度。如圖所示

3610-4氣體輻射1氣體輻射和吸收的特點(diǎn)

(1)氣體輻射和吸收對(duì)波長(zhǎng)具有選擇性。它只在某譜帶內(nèi)具有發(fā)射和吸收輻射的本領(lǐng)，而對(duì)于其他譜帶則呈現(xiàn)透明狀態(tài)。如圖10-16所示。(2)氣體的輻射和吸收是在整個(gè)容積中進(jìn)行的。這是由于輻射可以進(jìn)入氣體，并在其內(nèi)部進(jìn)行傳遞，最后有一部分會(huì)穿透氣體而到達(dá)外部或固體壁面，因而，氣體的發(fā)射率和吸收比還與容器的形狀和容積大小有關(guān)。

37圖10-17CO2

和H2O的主要吸收光帶示意圖圖10-18光譜輻射穿過氣體層時(shí)的衰減