1、輻射換熱,第七章,1. 熱輻射的本質(zhì)和特點(diǎn),7-1 熱輻射的基本概念,(1) 定義：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞的能量。,(2) 特點(diǎn)：a)任何物體，只要溫度高于0 K，就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱射線；b)可以在真空中傳播；c)伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變,電 磁 輻 射 波 譜,圖7-1,工業(yè)上有實(shí)際意義的熱輻射區(qū)域一般為0.1-100m。,可見光波段： 0.38-0.76m,全紅外線波段： 0.76-1000m,近紅外線: 4 m,遠(yuǎn)紅外線: 4 m,2. 物體對(duì)熱輻射的吸收、反射和穿透,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7-2所示。,圖7-2,（1） 固體

2、和液體：,輻射和吸收是在表面上進(jìn)行,吸收能力大的,反射本領(lǐng)就小.,但玻璃對(duì)可見光、短紅外線是透明的；對(duì)其它波長的射線，則有,反射又分鏡反射和漫反射兩種,圖7-3 鏡反射,圖7-4 漫反射,（2） 氣體（不含顆粒的）：,輻射和吸收是在整個(gè)容器中進(jìn)行,吸收性大的氣體,其穿透性就差.,（3） 三種特殊物體,a）黑體：,b）白體,c）透明體：,吸收最大,如純凈的空氣,3、 輻射力E(即全輻射力),單位時(shí)間內(nèi)，單位面積，向半球空間所有方向發(fā)出的全波長的輻射能. ( W/m2),式中： E為單色輻射力,黑體模型(人工黑體): 從小孔射入的輻射能,在空腔內(nèi)經(jīng)多次吸收、反射后，離開小孔出去的能量非常小，所以小

3、孔可近似為黑體。,7-2 熱輻射的基本定律,（1）普朗克定律 (1900年,從量子理論出發(fā))：,1. 普朗克定律,式中， 波長，m ； T 黑體溫度，K ； c1 第一輻射常數(shù)，3.74210-16 Wm2； c2 第二輻射常數(shù)，1.438810-2 WK；,a)=定值時(shí), T升高,Eb增大；,Planck 定律的圖示,b) T=定值時(shí), 增大, Eb 先增后減；,Eb,max 對(duì)應(yīng)的波長為 m；,c) T升高, m減?。?d) T升高, 可見光成分增加。,2）維恩位移定律,求Eb,max 時(shí)的m.,2.斯蒂芬-玻爾茲曼定律(四次方定律)：,黑體輻射力,式中，= 5.6710-8 w/(m2K

4、4)，黑體輻射常數(shù)。,工程計(jì)算用:,3.基爾霍夫定律,(1)實(shí)際物體的發(fā)射特性,a)發(fā)射率(黑度):,b)單色發(fā)射率:,實(shí)際物體:,黑體:,灰體:,與波長無關(guān),實(shí)際物體:,在紅外線波段范圍內(nèi)可視為灰體.(工程上參與輻射換熱的物體大多低于2000K,屬于紅外線波段輻射),c)影響發(fā)射率(黑度)的因素:,取決于,i)物體種類,ii)表面溫度,iii)表面狀況,即只與本身狀況有關(guān),與外界無關(guān).,說明:,i)材料:,大理石,高度拋光的鋁板,ii)表面溫度,金屬:隨T升高而增大,并受表面狀況強(qiáng)烈影響.,非金屬:隨T升高而減小.,絕大多數(shù)非金屬材料,n在0.85-0.95之間,且與表面狀況及表面顏色關(guān)系不

5、大.,如各種顏色的油漆:n=0.92-0.96,iii)表面狀況,拋光鋁,粗糙(表面氧化的)鋁:,同種材料:,(2)實(shí)際物體的吸收特性,a)單色吸收率：,物體對(duì)某一特定波長的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù).,白瓷磚: 3m,0.2,5m,0.9,即長紅外線波段以上的的能量幾乎被吸收.,即3m的能量幾乎被反射出去);,玻璃:,對(duì)紫外線(4m),1(即這些波段的能量幾乎被玻璃吸收.,對(duì)可見光(0.38-0.76及短紅外線(2m),很小,可以認(rèn)為是透明體.,對(duì)投入輻射的波長的吸收是有選擇性的.,b) 吸收率：,T1吸收體自身的溫度.,T2投射體的溫度.,即不僅與吸收表面的性質(zhì)和溫度(T1)有關(guān),還與投入輻射能

6、的物體按波長的能量分布有關(guān).,如果投射體為黑體，由于 ，則 上式可變?yōu)?黑體:,灰體:,與波長無關(guān),（3）基爾霍夫定律,建立與的關(guān)系.,成立的條件:i)投射體和吸收體處于熱平衡,ii)投射體必須是黑體.,基爾霍夫定律在溫度不平衡條件下的幾種形式:,a)漫射表面:,b)灰體表面: 輻射性質(zhì)與波長無關(guān),c)漫-灰表面:,說明:,對(duì)太陽輻射的情形,不能輕易當(dāng)灰體處理.,如:白色衣服, 對(duì)陽光=0.12-0.26,但其 0.97(無論白或黑),若在高溫車間(在紅外線輻射范圍),則穿黑或白的衣服沒有區(qū)別.,即 = = 0.97,7-3 兩個(gè)黑體間的輻射換熱,1. 角系數(shù),同理，表面2發(fā)出的輻射能中落到表

7、面1上的百分?jǐn)?shù)稱為表面2對(duì)表面1的角系數(shù)，記為X 2, 1,定義：表面1發(fā)出的輻射能中落到表面2上的百分?jǐn)?shù)稱為表面1對(duì)表面2的角系數(shù)，記為X1,2。,討論：兩黑體表面任意放置，彼此可見,當(dāng)T1=T2時(shí)，1,2=0.且,角系數(shù)是純幾何因子.,角系數(shù)互換性,2. 輻射空間熱阻,即:兩黑體表面間的輻射換熱之間存在一個(gè)空間輻射熱阻.,特例:兩平行大平板,7-4 角系數(shù)的確定方法,1、積分法,積分計(jì)算過程很復(fù)雜，實(shí)用中采用線算圖。,如：求兩平行平板間的角系數(shù).,則查圖得：,如：求兩垂直表面間的角系數(shù).,則可查得：,2、代數(shù)法,(1)角系數(shù)的特性,（a）互換性：,（b）完整性：,平面或凸面：,凹面：,（c

8、）分解性：,(a)三個(gè)非凹表面組成的封閉系統(tǒng),(2)實(shí)例,由角系數(shù)完整性,由角系數(shù)互換性,如果垂直紙面方向的長度相同，則有：,聯(lián)立求得：,類似可寫出其他角系數(shù).,(b)任意兩個(gè)非凹表面間的角系數(shù),垂直板面方向?yàn)闊o限長,則:,注意：這里的交叉線和不交叉線都是指虛擬斷面的線，或者說是輔助線。,例: 求下列圖形中的角系數(shù),解：,解：,解：,7-5 灰體表面間的輻射換熱,1. 有效輻射及輻射表面熱阻,(1)投入輻射G ：單位時(shí)間內(nèi)投射到表面單位面積上的總輻射能.(W/m2),(2)有效輻射J ：單位時(shí)間內(nèi)離開表面單位面積的總輻射能 .(W/m2),(3) 輻射表面熱阻,從表面1外部來觀察其熱平衡，表面

9、凈失能量為：,從表面內(nèi)部觀察其熱平衡, 表面凈失能量為：,對(duì)漫-灰表面：,表面輻射熱阻是表面為非黑體時(shí)存在的熱阻.,表面為黑體時(shí),=1,即黑體的有效輻射就是黑體的本身輻射.,2.組成封閉腔的兩灰表面間的輻射換熱,若以 為計(jì)算面積，上式可改寫為：,定義系統(tǒng)黑度(或稱為系統(tǒng)發(fā)射率):,討論幾種特例：,a 兩無限大平行灰平壁的輻射換熱,X1,2 X2,1 = 1,A1 = A2 = A,b 表面1為凸面或平面，,此時(shí)，X1,21，,c. 表面積A1比表面積A2小得多，即A1/A2 0,強(qiáng)化輻射換熱的主要途徑有兩種：,削弱輻射換熱的主要途徑有三種：,輻射換熱的強(qiáng)化與削弱:,增加發(fā)射率； 增加角系數(shù)。,降低發(fā)射率； 降低角系數(shù)； 加入遮熱板。,3. 遮熱板,在表面1,2間插入一金屬薄板,小, 大,即板兩側(cè)的溫度可以認(rèn)為相等.,穩(wěn)定時(shí):,設(shè):,將(1)+(2)式, 得:,與無遮熱板時(shí)比較: 輻射換熱量減少了一半.,若加入n塊發(fā)射率為 的金屬板,則,說明:,前面的結(jié)論是在假定遮熱板的發(fā)射