1、第六節(jié)輻射傳熱4-6-1基本概念和定律一、基本概念物體以電磁波的形式傳遞能量的過程稱為輻射，被傳遞的能量為輻射能。當物體因熱的但能被物體吸收轉變成熱能圖4-31輻射能的吸收、反射和透過原因而引起電磁波的輻射即稱熱輻射。電磁波的波長范圍很廣， 的輻射線主要是可見光線和紅外光線，也即波長在0.420p m的部分，此部分稱為熱射線。波長在0.40.8|J m但能被物體吸收轉變成熱能圖4-31輻射能的吸收、反射和透過熱射線的可見光線一樣，服從反射和折射定律，能在均 一介質中作直線傳播。在真空中和絕大多數(shù)氣體中，熱射線 可完全透過，但不能透過工業(yè)上常見的大多數(shù)液體和固體。如圖4-31所示，投射在某一物體

2、表面上的總輻射能為Q， 其中有一部分能量Qa被吸收，一部分能量Qr被反射，余下 的能量QD透過物體。根據(jù)能量守恒定律得：Qa+ Qr + Qd = Q即Q +Q +Q = 1（4-96）q q q或a+R+D=1式中a= Q物體的吸收率，無因次；QR= Q 物體的反射率，無因次；RQD= Q_物體的透過率，無因次。Q當a=1，稱為黑體或絕對黑體，表示物體能全部吸收輻射能。當R=1，稱為鏡體或絕對白體，表示物體能全部反射輻射能。當D=1，稱為透射體，表示物體能全部透過輻射能。實際上絕對黑體和絕對白體并不存在，只能是接近于黑體或鏡體。吸收率a、反射率R 和透過率D的大小取決于物體的性質、表面狀況及

3、輻射的波長等。能以相同的吸收率且部 分地吸收由0到8所有波長范圍的輻射能的物體定義為灰體，灰體也是理想物體，但大多數(shù) 工業(yè)上常見的固體材料可視為灰體。二、斯蒂芬一波爾茲曼定律理論研究表明，黑體的輻射能流率為單位時間單位黑體表面向外界輻射的全部波長的總 能量，服從斯蒂芬一波爾茲曼定律：W =c T4式中W b黑體的輻射能流率，W/m2；黑體的輻射常數(shù)，其值為5.67X10TW/ 黑體的輻射常數(shù)，其值為5.67X10TW/ (m2K4)；V = bw =bcb(4-98a)01100J0T黑體的絕對溫度，K。通常將上式寫成：(4-97a)式中c0黑體的輻射系數(shù)，其值為5.67 W/(m2K4)。由

4、此看出輻射傳熱與對流傳熱及熱傳導不同，并且輻射傳熱對溫度特別敏感。對灰體其 輻射能流率也可表示為：(4-97b)式中，c為灰體的輻射系數(shù)，不同物體的c值不同，并且和物質的性質、表面情況及溫度有 關，其值小于c0。所以在同一溫度下灰體的輻射能流率總是小于黑體的輻射能流率，其比值 稱為黑度，用E表示。所以有(4-98(4-98)b =V,b由此可計算灰體的輻射能力:圖4-32圖4-32平行平板間輻射傳熱物體的黑度只與輻射物體本身情況有關，它是物 體的一種性質，而和外界無關。三、克?；舴蚨纱硕山沂玖宋矬w的輻射能流率w與吸收率a 之間的關系。設有彼此非常接近的兩平行平板，一塊 板上的輻射能可以全部

5、投射到另一塊板上，如圖4-32 所示。若板1為灰體，板2為黑體。設Wa. T1 和W 2、a2、T2表示板1、2的輻射能流率、吸收率和 表面溫度，且TT2?，F(xiàn)討論兩塊板之間的熱量平衡 情況。以單位時間單位面積為基準。由于是黑體，板1輻射出的W能被板2全部吸收，而板2輻射的W 2 被板1吸收了 aw ，余下的(1一氣)W 2被反射回 板2,并被全部吸收。對板1來說，輻射傳熱的結果 是：q=W 1-a1W 2式中q兩板間輻射傳熱的熱流密度，W/m2。式中當兩板達到熱平衡，即T1=T2時，q=0，也即w 1=a1W 2。表明板1輻射和吸收的能量相 等。Wr =w =w a 2 b1若用任何板代替板1

6、，則可寫成下式:K =2 =.=史=f (T) =K(4-100)12a此式為克希霍夫定律。它說明任何物體的輻射能流率和吸收率的比值均相等，并且等于 黑體的輻射能流率，即僅和物體的絕對溫度有關。將式4-98a代入此式得：=ac0(=ac0式中c=ac灰體的輻射系數(shù)。對于實際物體aV1,所以cVc。由式4-98和4-100看出在同一溫度下，物體的吸收率和黑度在數(shù)值上相等，但物理意 義不同。4-6-2兩固體間的輻射傳熱工業(yè)上遇到的兩固體間的輻射傳熱多在灰體中進行。兩灰體間的輻射能相互進行著多次圖4-33平行灰體平板間的輻射過程圖4-33平行灰體平板間的輻射過程圖4-33所示的為兩面積很大的相互平行

7、 的兩灰體。兩板間的介質為透熱體。因兩板 很大又很近，故認為從板發(fā)射出的輻射能可 全部投到另一板上，并且D=0, a+R=1。從板1發(fā)射的輻射能流率為W，被板2 吸收了 a2W ，被板2反射回R ，這部分 又被板1吸收和反射，如此進行到W 被完全吸收為止。從板2發(fā)射的輻射能W2 也有類同的吸收和反射過程。兩平行板間單位時間內，單位面積上凈的輻射傳熱量也即兩板間輻射能的總能量差為:q = V a (1 + R R + R 2 R 2 +.) f a (1 + R R + R 2 R 2 + .) 1-21 212122 11212等號右邊中的(1 + R1 R2 + R；R； +)為無窮級數(shù)，它

8、等于1/ (1RR2)，代入上式 得：_ V a.Va, _ Va -v,a,q1-2 = 1 -RR1 -RR 1 -rR TOC o 1-5 h z 1 21 21 2及 a1=8 1，a2=8 2，(4-102及 a1=8 1，a2=8 2，(4-102)代入整理得：1 (1 a )(1 a ) a + a a a121212以W =8 c (T /100) 4，十= cj (T /100) 4,110122221212或 q - c1-21-2C1C 一0111-21111+ 一1 + CCC12120式中C_2為總輻射系數(shù)。并且有若兩平行板的面積均為A時則有:木，1(T V(T )A

9、c 11-1-21-21100 J100 J(4-1025)(4-103)(4-104)若兩板間的大小與其距離之比不夠大時，一個板面發(fā)射的輻射能流率只有一部分到達另 一面，此份數(shù)用角系數(shù)甲表示，為此得普遍式為：(4-105)式中氣2凈的輻射傳熱速率，W；A輻射面積，m2；TT2高溫和低溫物體表面的絕對溫度，K；甲角系數(shù)。角系數(shù)的大小不僅和兩物體的幾何排列有關，還要和選定的輻射面積A相對應。幾 種簡單情況的甲值見表4-6和圖4-34。序號輻射情況面積A角系數(shù)甲總輻射系數(shù)十1極大的兩平行面A1 或 A21C / + -1 0 122面積有限的兩相等的平行面A11* 1 2c03很大的物體2包住物體

10、1A11 1C04物體2恰好包住物體1，A1A2A11c / + -10125在3、4兩種情況之間A11c0/!+分12-112 )表4-6甲值與白勺計算式*此種情況的 頃，一*甲值由圖4-34查得。工=+（或）圖4-34平行面間輻射傳熱的角系數(shù)d或L =邊長（長方形用短邊：或直徑 b b輻射面的間距1一圓盤形；2正方形；3 一長方形（邊長之比為2： 1）； 4 一長方形（狹長）后因輻射而損失的熱量。放置鋁板前因輻射損失的熱量，由式4-105知:【例4-11】車間內有一高和寬各為3m的鑄鐵鐵爐門，溫度為227，室內溫度為27C。 為了減少熱損失，在爐門前50mm后因輻射而損失的熱量。放置鋁板前

11、因輻射損失的熱量，由式4-105知:解：（1）中=c a|(T :4f T 1-21-21100 J100 J4取鑄鐵的黑度E廣0.78本題為很大物體2包住物體1的情況，故中=1A=A1=3X3=9m21=5.67X0.78=4.423W/(m2k4)所以所以=4.423 x 1 x 9 x1-2=2.166 X104W式中（2）放置鋁板后因輻射損失的熱量。以下標1、2和i分別表示爐門、房間和鋁板。假 定鋁板的溫度為T，則鋁板向房間輻射的熱量為：式中0 = Ac 中 |(T :4f T ii-2i-2 1100 J100 J4A =3X 3=9m2ic 2 = c0 = 0.11 x5.67 = 0.624 W/ (m2 k4)所以少=0.624 所以少=0.624 x 9 xi - 24-81(a)爐門對鋁板的輻射傳熱可視為兩無限大平板之間的傳熱，故放置鋁板后因輻射損失的熱 量為：5.67= 0.605+-1W/ (m2 k4)所以W/ (m2 k4)所以=0.605 x 1 x 9 x1-i625 -(T V100J(b)當傳熱到達穩(wěn)定時，氣.=中2(T 4-81(T 4-810.605 x 9 x625 -、 1= 0.624 0.605 x 9 x100J 解得T=43