熱工基礎(chǔ)與應(yīng)用 (第4版)課件：輻射傳熱

§12-1熱輻射的基本概念1.定義：由于熱的原因，以電磁波形式傳遞能量的過程一、熱輻射定義2.電磁波譜

輻射傳熱①熱射線0.1-100μm：包括太陽0.38-100μm：2000K以下②微波爐微波是波長在1mm-1m之間的電磁波，不是熱輻射微波可以穿過塑料、玻璃及陶瓷制品，但卻會被像水那樣具有極性分子的物體吸收，在物體內(nèi)部產(chǎn)生接近均勻分布的內(nèi)熱源，使物體得到比較均勻地加熱。而一般烘箱則是物體表面上進行接近恒熱流的加熱。大部分能量在紅外區(qū)：0.76-20μm1.傳播無需介質(zhì)，真空傳播更有效二、熱輻射特點好：航天器散熱壞：熱水瓶保溫2.伴隨能量的轉(zhuǎn)移和能量形式的轉(zhuǎn)換3.動態(tài)熱平衡4.發(fā)射輻射取決于溫度的4次方氫彈爆炸，3×107K核能的和平利用與核武器當熱輻射投射到物體表面上時，一般會發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透，如圖4-50所示。5.物體對熱輻射的吸收、反射和穿透(absorptivity;transmissivity;reflectivity)

物體對熱輻射的吸收反射和穿透①對于大多數(shù)的固體和液體：透明體：發(fā)生在表面，表面狀況影響顯著②對于不含顆粒的氣體：發(fā)生在氣體容積內(nèi)部，表面狀況不重要③黑體：白體：④反射又分鏡反射和漫反射兩種黑體：是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體，是一種科學假想的物體，現(xiàn)實生活中不存在。但可以人工制造出近似的人工黑體。黑體模型流體力學：理想流體工程熱力學：理想氣體三、黑體概念1.α=1夏天穿黑衣服2.人工黑體模型空腔上的小孔特性：①具有黑體性質(zhì)的是小孔，而非空腔，空腔內(nèi)壁α<1②空腔形狀沒有影響，關(guān)鍵是小孔足夠?、勰Ｐ蛢?nèi)壁溫度均勻(輻射均勻而且各向同性)，空腔內(nèi)表面上的有效輻射(自身輻射+反射)就是同溫度下的黑體輻射黑洞洞的槍口遠眺窗口舉例：研究思路：相同溫度物體中，黑體輻射能力最大(Kirchhoff定律)，先研究黑體，把其他物體的輻射和黑體相比較，找出偏差，確定必要的修正系數(shù)。一、Stefan-Boltzmann定律式中，σ=5.67×10-8W/(m2

K4)，Stefan-Boltzmann常數(shù)1.輻射力E(emissivepower)單位時間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長的能量總和,從總體上表征了物體輻射本領(lǐng)的大小

(W/m2)2.§12-2熱輻射基本定律黑體的發(fā)射特性：同溫度下，黑體發(fā)射熱輻射的能力最強，包括所有方向和所有波長3.實際物體總發(fā)射率(emissivity)因此，定義發(fā)射率(也稱為黑度)

：相同溫度下，實際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比ε一般由實驗測定，物體發(fā)射率只取決于自身，與外界無關(guān)真實物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體物體ε取決于自身，與外界條件無關(guān)4.影響ε的因素一般對同種材料，氧化ε>非氧化ε，粗糙ε>磨光ε物體種類(材料)自身溫度(一般地，ε隨溫度升高而升高)表面狀況(氧化與否，粗糙/光滑磨光)因為ε與T有關(guān)，實際物體E=εσT4，并不嚴格與T4成正比波長？空間方向？1.實際物體吸收比1）(總)吸收比α物體對投入于其表面上的輻射能的吸收百分比投入輻射：單位時間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射能二、吸收比與發(fā)射率的關(guān)系－

Kirchhoff定律物體對某一特定波長λ的輻射能所吸收的百分數(shù)，也叫單色吸收比。2）光譜吸收比α(λ)α(λ)只取決于自身，不管投入輻射如何，吸收物體對某一特定波長的吸收能力是確定的。光譜吸收比隨波長的變化體現(xiàn)了實際物體的選擇性吸收的特性。2.光譜吸收比與波長關(guān)系的討論1）一般物體，其光譜吸收比都與波長有關(guān)，這是客觀世界五彩繽紛的特點全部吸收可見光，黑色

物體顏色主要是由物體表面所反射的射線中(可見光)那種波長占優(yōu)勢而確定，只有對溫度很高的物體，其自身輻射能中含有足夠大的可見光百分數(shù)時，才是自身發(fā)射的輻射能取決于其顏色全部反射可見光，白色均勻吸收可見光，灰色2）焊接工人戴一副黑色眼鏡特種玻璃吸收紫外線3）暖房(大棚蔬菜，全球變暖)4）中空低輻射玻璃(淺鍍膜玻璃)波長范圍為0.4～0.8μm的可見光，可全部透過，室內(nèi)明亮室內(nèi)熱量以長波紅外線形式穿透內(nèi)層玻璃，透過空氣間隙撞擊到低輻射玻璃鍍膜時，被反射回來50％太陽光中紫外波長0.3～0.4μm，全部反射回去，家具不易老化褪色歐共體2001年6月頒布了樓宇小區(qū)新的建筑節(jié)能標準，規(guī)定“強力推廣使用由低輻射玻璃制造的中空玻璃”5）灰體(Greybody)即將光譜吸收比

(

)等效為常數(shù)，即

=

(

)=const。將

(

)與波長無關(guān)的物體稱為灰體，與黑體類似，它也是一種理想物體，但對于大部分工程問題來講，灰體假設(shè)帶來的誤差是可以容忍的.①定義只要在所研究的波長范圍內(nèi)

(

)=const即可，不要求全部波長②簡化的合理性工程材料，波長范圍在0.76～20μm之間，基本上

(

)=const(投入輻射為紅外線)三個層次上的Kirchhoff定律層次數(shù)學表達式成立條件光譜，定向光譜，半球全波段，半球無條件，

為緯度角漫射表面與黑體處于熱平衡或?qū)β冶砻?聯(lián)系

與ε)對于黑體，

=ε=1，對于一般物體？3.Kirchhoff定律1）因為大多數(shù)物體可近似當作漫灰體，因此有

=ε，善于發(fā)射必善于吸收，物體的吸收率在一般手冊中無法查到，有ε就有，大大簡化計算2）研究物體與太陽能之間的吸收關(guān)系時，物體一般不能當作灰體，即，物體常溫下的發(fā)射率（等于該溫度下的吸收比）不等于該溫度下對太陽能的吸收比。油漆，在常溫下發(fā)射率均為0.9左右，但對太陽中可見光的吸收比，白漆僅為0.1～0.2，黑漆高達0.9。彩色冰箱vs白色冷藏車，白色空調(diào)室外機例.將木板和鋁板同時放在太陽光下，哪個溫度高？吸收能量：鋁板吸收太陽能>木板自身輻射能量：木板和鋁板的自身輻射在紅外輻射區(qū)域，由Kirchhoff定律，ε=

，鋁板向外輻射紅外能量<木板太陽能集熱器的研究中要求集熱器涂層具有高的對太陽輻射的吸收比，而又希望減小涂層本身的發(fā)射率以減少熱損失，目前開發(fā)出的涂層材料的吸收比與發(fā)射率之比可高達8～101.透明覆蓋；2.吸熱面；3.金屬管；4.絕熱材料；5.箱體思考題：1.在加熱爐的大門上開有邊長為2cm×3.5cm的小孔，爐內(nèi)壁溫度為680℃，爐壁發(fā)射率為0.75。試求從爐內(nèi)經(jīng)小孔投射到外界的輻射能。

2.一內(nèi)壁保持恒定溫度的封閉空腔，其內(nèi)表面積100m2,腔壁上開0.02m2面積的小孔，測得由小孔發(fā)射出的輻射能為70W。試問封閉腔內(nèi)壁的溫度是多少？把空腔內(nèi)表面拋光，對小孔向外輻射有何影響？§12-3平均角系數(shù)和黑體間的輻射換熱

一、黑體表面間的輻射換熱

角系數(shù)X1，2：

表面1發(fā)出的輻射能落在表面2上的百分比。黑體表面間的輻射換熱量：空間輻射熱阻：

角系數(shù)完全是一個幾何因子物體表面溫度及發(fā)射率的改變只影響發(fā)射的輻射能的絕對大小，不影響落到其他表面上的百分數(shù)二、角系數(shù)的特征

1.角系數(shù)的相對性

2.角系數(shù)的完整性

3.角系數(shù)的分解性（可加性）

封閉空間三、角系數(shù)的確定

簡單特殊物體表面間的角系數(shù)1.兩塊很接近的大平行平板：2.一非凹表面被另一凹表面所包圍3.三個非凹表面組成的封閉系統(tǒng)：

4.兩個可以相互看見的非凹表面組成的如圖系統(tǒng)：工程用線圖：

利用對稱性舉例∵∴§12-4灰體表面間的輻射換熱

一、有效輻射

投入輻射G：

單位時間內(nèi)投入到單位面積上的總能量。有效輻射J：

單位時間內(nèi)離開單位面積上的總輻射能量＝本身輻射＋反射輻射。

黑體的有效輻射＝本身輻射表面輻射熱阻：

因表面不是黑體而產(chǎn)生的熱阻。

二、兩個灰體表面組成的封閉系統(tǒng)的輻射換熱

11幾種特例：(1)兩表面均為黑體(2)且X1,2=X2,1=1，靠得很近的平行平板(4)(3)X1,2=1一非凹表面1被另一凹表面2所包圍一非凹表面1被另一凹表面2所包圍且表面1面積非常小大房間內(nèi)的小物體熱電偶測溫的輻射誤差一個三表面封閉系統(tǒng)如果表面是黑體，可以計算；如果不是，要用三表面間輻射換熱的知識計算角系數(shù)的技巧一直徑d=0.75m的圓筒形埋地式加熱爐采用電加熱方法加熱，如圖所示。在操作過程中需要將爐子頂蓋移去一段時間，設(shè)此時筒身溫度為500K，筒底為650K。環(huán)境溫度為300K。試計算頂蓋移去期間單位時間內(nèi)的熱損失。設(shè)筒身及底面均可作為黑體。

據(jù)角系數(shù)圖，，據(jù)相對性得

再據(jù)相對性得，故最后得三、遮熱板(削弱輻射換熱或隔絕輻射換熱)

如果插入一塊無限大薄金屬板1空間熱阻＋2表面熱阻2空間熱阻＋4表面熱阻不考慮遮熱板的導熱熱阻遮熱板的應(yīng)用汽輪機中用于減少內(nèi)、外套管間輻射傳熱遮熱板應(yīng)用于儲存液態(tài)氣體的低溫容器遮熱板用于超級隔熱油管超級保溫材料：多層抽真空結(jié)構(gòu)，采用高反射率(低發(fā)射率)，薄隔板組成多層抽真空結(jié)構(gòu)，垂直于隔板方向λ=10-5W/(m·K)田長霖多層遮熱板超級隔熱油管§12-5氣體輻射簡介

氣體輻射的特點不同種類的氣體的輻射和吸收能力各不相同空氣、O2、N2、H2等結(jié)構(gòu)對稱的雙原子氣體沒有輻射和