第七章 輻射換熱

1、1. 1. 熱輻射的本質(zhì)和特點(diǎn)熱輻射的本質(zhì)和特點(diǎn)7-1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念(1) (1) 定義定義：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞的能量。傳遞的能量。(2) (2) 特點(diǎn)特點(diǎn)：a)a)任何物體，只要溫度高于任何物體，只要溫度高于0 K0 K，就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱射線；就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱射線；b)b)可以可以在真空中傳播；在真空中傳播；c)c)伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變 電電 磁磁 輻輻 射射 波波 譜譜圖圖7-17-1工業(yè)上工業(yè)上有實(shí)際意義的熱輻射區(qū)域一般為有實(shí)際意義的熱輻射區(qū)域一般為0.1-100m0.1-100m?？梢姽?/p>

2、波段：可見光波段： 0.38-0.760.38-0.76 m m全紅外線波段：全紅外線波段： 0.76-10000.76-1000 m m近近紅紅外線外線: : 4 4 4 m m2. 2. 物體對(duì)熱輻射的吸收、反射和穿透物體對(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，如圖種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透，如圖7-27-2所示。所示。圖圖7-27-211（1 1） 固體和液體：固體和液體：1,0輻射和吸收是在表輻射和吸收是在表面上進(jìn)行面上進(jìn)行吸收能力大的吸收能力大的, ,反射本領(lǐng)就小反射本領(lǐng)就小. .但玻璃對(duì)

3、可見光、短紅外線是透明的；對(duì)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，則有其它波長的射線，則有0反射又分鏡反射和漫反射兩種反射又分鏡反射和漫反射兩種圖圖7-3 鏡反射鏡反射圖圖7-4 漫反射漫反射（2 2） 氣體（不含顆粒的）：氣體（不含顆粒的）：1,0輻射和吸收是在整輻射和吸收是在整個(gè)容器中進(jìn)行個(gè)容器中進(jìn)行吸收性大的氣體吸收性大的氣體, ,其穿透性就差其穿透性就差. .（3 3） 三種特殊物體三種特殊物體a a）黑體：）黑體：11b b）白體）白體c c）透明體：）透明體：吸收最大吸收最大1如純凈的空氣如純凈的空氣3 3、 輻射力輻射力E(E(即全輻射力即全輻射力) )單位時(shí)間內(nèi)，

4、單位時(shí)間內(nèi)，單位面積單位面積，向半球空間，向半球空間所有方向所有方向發(fā)出的全波長的輻射能發(fā)出的全波長的輻射能. ( W/m. ( W/m2 2) )0dEE式中：式中： E E 為單色輻射力為單色輻射力黑體模型黑體模型( (人工黑體人工黑體):): 從小孔射入的輻射能從小孔射入的輻射能, ,在空腔內(nèi)經(jīng)多次吸收、反在空腔內(nèi)經(jīng)多次吸收、反射后，離開小孔出去的能射后，離開小孔出去的能量非常小，所以小孔可近量非常小，所以小孔可近似為黑體。似為黑體。7-2 熱輻射的基本定律熱輻射的基本定律（1 1）普朗克定律）普朗克定律 (1900(1900年年, ,從量子理論出發(fā)從量子理論出發(fā)) )：1. 1. 普朗

5、克定律普朗克定律1)(512TcbecE式中，式中， 波長，波長，m m ； T T 黑體溫度，黑體溫度，K K ； c c1 1 第一輻射常數(shù)，第一輻射常數(shù)，3.7423.7421010-16-16 W W m m2 2； c c2 2 第二輻射常數(shù)，第二輻射常數(shù)，1.43881.43881010-2-2 W W K K； a)a) = =定值時(shí)定值時(shí), , T T升高升高,E,Eb b 增大；增大；bEPlanck Planck 定律的圖示定律的圖示b) T=b) T=定值時(shí)定值時(shí), , 增大增大, E, Eb b 先先增后減；增后減；E Eb b ,max ,max 對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的波長為波

6、長為 m m；c) Tc) T升高升高, , m m減小；減小；d) Td) T升高升高, , 可見光成分增加?？梢姽獬煞衷黾?。KmTm3108976. 22 2）維恩位移定律）維恩位移定律求求E Eb b ,max ,max 時(shí)的時(shí)的 m. m. 2.2.斯蒂芬斯蒂芬- -玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律( (四次方定律四次方定律) )：黑體輻射力黑體輻射力40)(51012TdecdEETcbb式中，式中，= 5.67= 5.6710-8 w/(m210-8 w/(m2 K K4 4) )，黑體輻射常數(shù)。，黑體輻射常數(shù)。工程計(jì)算用工程計(jì)算用: :)/()100(240mWTCEb4)100(67.

7、 5T3.3.基爾霍夫定基爾霍夫定律律(1)(1)實(shí)際物體的發(fā)射特性實(shí)際物體的發(fā)射特性a)a)發(fā)射率發(fā)射率( (黑度黑度):):bEE同溫度下同溫度下b)b)單色發(fā)射率單色發(fā)射率: :bEE同一波長同一波長, ,同一溫度下同一溫度下bEE40TdEb40TdEbb實(shí)際物體實(shí)際物體: :bEE4)100(TcbbEE同一波長同一波長, ,同同一溫度下一溫度下bEE40TdEb40TdEbbE黑體黑體灰體灰體實(shí)際實(shí)際黑體黑體灰體灰體實(shí)際實(shí)際1.01.0bEE40TdEb40TdEbb黑體黑體: :1b灰體灰體: :與波長無關(guān)與波長無關(guān)1常數(shù)即：實(shí)際物體實(shí)際物體: :在在紅外線波段范圍紅外線波段范圍

8、內(nèi)可內(nèi)可視為視為灰體灰體. .( (工工程上參與輻射換熱的物體大多低于程上參與輻射換熱的物體大多低于2000K,2000K,屬于紅外線波段輻射屬于紅外線波段輻射) )黑體黑體灰體灰體實(shí)際實(shí)際1.01.0c)c)影響發(fā)射率影響發(fā)射率( (黑度黑度) )的因素的因素: :取決于取決于i)i)物體種類物體種類ii)ii)表面溫度表面溫度iii)iii)表面狀況表面狀況即只與本身狀況有關(guān)即只與本身狀況有關(guān), ,與外界無關(guān)與外界無關(guān). .說明說明: :i)i)材料材料: :大理石大理石高度拋光的鋁板高度拋光的鋁板95. 0n06. 004. 0nii)ii)表面溫度表面溫度金屬金屬: : 隨隨T T升高

9、而增大升高而增大, ,并受表面狀并受表面狀況強(qiáng)烈影響況強(qiáng)烈影響. .非金屬非金屬: : 隨隨T T升高而減小升高而減小. .絕大多數(shù)非金屬材料絕大多數(shù)非金屬材料, , n n在在0.85-0.950.85-0.95之間之間, ,且且與表面狀況及表面顏色關(guān)系不大與表面狀況及表面顏色關(guān)系不大. .如各種顏色的油漆如各種顏色的油漆: : n n=0.92-0.96=0.92-0.96iii)iii)表面狀況表面狀況拋光鋁拋光鋁06. 004. 0n粗糙粗糙( (表面氧化的表面氧化的) )鋁鋁: :31. 02 . 0n磨光面粗糙面同種材料同種材料: :(2)(2)實(shí)際物體的吸收特性實(shí)際物體的吸收特性

10、a)a)單色吸收率單色吸收率： 物體對(duì)某一特定波長的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)物體對(duì)某一特定波長的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù). .能量投入的某一特定波長的能量吸收的某一特定波長的),(1T白瓷磚白瓷磚: : 33 m,m, 0.255 m,m, 0.90.9即長紅外線波段即長紅外線波段以上的的能量幾以上的的能量幾乎被吸收乎被吸收. .即即 33 m m的能量幾乎的能量幾乎被反射出去被反射出去););0.523456789010.20.40.60.81.0abcabc磨光的鋁陽極氧化的鋁磨光的銅 / m0.523456789010.20.40.60.81.0 / m白瓷磚白火泥粉墻面0.20.823 4 (

11、 m)可見光可見光玻璃玻璃: :對(duì)紫外線對(duì)紫外線( ( 0.3844 m),m), 1(1(即這些即這些波段的能量幾乎被玻波段的能量幾乎被玻璃吸收璃吸收. .對(duì)可見光對(duì)可見光(0.38-(0.38-0.760.76 及短紅外線及短紅外線( ( 22 m),m), 很小很小, ,可以認(rèn)為是透明可以認(rèn)為是透明體體. . 對(duì)投入輻射的波對(duì)投入輻射的波長的吸收是有選擇性長的吸收是有選擇性的的. .b) b) 吸收率吸收率：投入的總能量吸收的總能量1)21,(d)(),(d)(),(),(210220221的性質(zhì)表面的性質(zhì)，表面TTfTETTETTbbGG00dGdGT T1 1吸收體自身的溫度吸收體自

12、身的溫度. .T T2 2投射體的溫度投射體的溫度. .即即 不僅與吸收表面的性質(zhì)和溫度不僅與吸收表面的性質(zhì)和溫度(T1)(T1)有關(guān)有關(guān), ,還與投入輻射能的物體按波長還與投入輻射能的物體按波長的能量分布有關(guān)的能量分布有關(guān). .如果投射體為黑體，由于如果投射體為黑體，由于 ，則，則上式可變?yōu)樯鲜娇勺優(yōu)?),(2Tb)1,(d)(),(d)(d)(),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性質(zhì)表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb黑體黑體: :1bb灰體灰體: :與波長無關(guān)與波長無關(guān)1 常數(shù)即：（3 3）基爾霍夫定律）基爾霍夫定律建立建立

13、與與 的關(guān)系的關(guān)系. .bEEEEE.332211bEE成立的條件成立的條件:i):i)投射體和吸收體處于熱平衡投射體和吸收體處于熱平衡ii)ii)投射體必須是黑體投射體必須是黑體. .基爾霍夫定律在溫度不平衡條件下的幾種形式基爾霍夫定律在溫度不平衡條件下的幾種形式: :a)a)漫射表面漫射表面: :b)b)灰體表面灰體表面: : 輻射性質(zhì)與波長無關(guān)輻射性質(zhì)與波長無關(guān)c)c)漫漫- -灰表面灰表面: :)()(TT在工程輻射范圍內(nèi)，大多在工程輻射范圍內(nèi)，大多數(shù)材料都可以當(dāng)漫數(shù)材料都可以當(dāng)漫- -灰表灰表面處理面處理. .說明說明: :對(duì)太陽輻射的情形對(duì)太陽輻射的情形, ,不能輕易當(dāng)灰體處理不能

14、輕易當(dāng)灰體處理. .如如: :白色衣服白色衣服, , 對(duì)陽光對(duì)陽光 =0.12-0.26=0.12-0.26但其但其 0.97( 0.97(無論白或黑無論白或黑) )即即 = = 若在高溫車間若在高溫車間( (在紅外線輻射范圍在紅外線輻射范圍),),則穿則穿黑或白的衣服沒有區(qū)別黑或白的衣服沒有區(qū)別. .即即 = = = 0.97 = 0.977-3 7-3 兩個(gè)黑體間的輻射換熱兩個(gè)黑體間的輻射換熱(c)(c)T1T21. 1. 角系數(shù)角系數(shù) 同理，表面同理，表面2 2發(fā)出發(fā)出的輻射能中的輻射能中落到落到表面表面1 1上的上的百分?jǐn)?shù)百分?jǐn)?shù)稱為表面稱為表面2 2對(duì)表面對(duì)表面1 1的角系數(shù)，的角系數(shù)

15、，記為記為X X 2, 12, 1 定義：表面定義：表面1 1發(fā)出發(fā)出的輻射能中的輻射能中落到落到表面表面2 2上上的的百分?jǐn)?shù)百分?jǐn)?shù)稱為表面稱為表面1 1對(duì)表面對(duì)表面2 2的角系數(shù)，記的角系數(shù)，記為為X X1,21,2。1 , 2222, 1112, 1XAEXAEbb討論：討論：兩黑體表面任意放置，彼此可見兩黑體表面任意放置，彼此可見當(dāng)當(dāng)T T1 1=T=T2 2時(shí)，時(shí)， 1,21,2=0.=0.且且21bbEE1 ,222, 11XAXA角系數(shù)是純幾何因子角系數(shù)是純幾何因子. .角系數(shù)互換性角系數(shù)互換性2. 2. 輻射空間熱阻輻射空間熱阻12, 1212, 1)(AXEEbb21 ,221

16、)(AXEEbb即即: :兩黑體表面間的兩黑體表面間的輻射換熱之間存在一輻射換熱之間存在一個(gè)個(gè)空間輻射熱阻空間輻射熱阻. .1bE2bE21 ,212, 111AXAX2 , 112, 1212, 11)(AXEEbb空間熱阻輻射勢(shì)差1bE2bE11121 , 212, 1AXAX2 , 1特例特例: :兩平行大平板兩平行大平板AAA2111 ,22, 1 XXAEEbb)(212, 17-4 7-4 角系數(shù)的確定方法角系數(shù)的確定方法1 1、積分法、積分法 121222112, 1coscos1AAdAdArAX積分計(jì)算過程很復(fù)雜，實(shí)用中采用積分計(jì)算過程很復(fù)雜，實(shí)用中采用線算圖線算圖。XDY1

17、2XZY12如：求兩平行平板間如：求兩平行平板間的角系數(shù)的角系數(shù). .0 . 1,0 . 1DYDX則查圖得：則查圖得：22. 02, 1X如：求兩垂直表面間的角系數(shù)如：求兩垂直表面間的角系數(shù). .0 . 1,0 . 1XYXZ則可查得：則可查得：2 . 02, 1X2 2、代數(shù)法、代數(shù)法(1)(1)角系數(shù)的特性角系數(shù)的特性（a a）互換性：）互換性：（b b）完整性：）完整性：ijjjiiXAXA,11,njjiX0,iiX平面或凸面：平面或凸面：凹面：凹面：0,iiX1234567XXXXXX1,21,31,41,51,61,7（c c）分解性：）分解性：1A2A3A4A1A2A5A6A2

18、,442,332, 11XAXAXA6, 115, 112, 11XAXAXA (a)(a)三個(gè)非凹表面組成的封閉系統(tǒng)三個(gè)非凹表面組成的封閉系統(tǒng)(2)(2)實(shí)例實(shí)例1112, 31 , 33 , 21 , 23 , 12, 1XXXXXX2,333,221 ,333, 111 ,222, 11XAXAXAXAXAXA 由角系數(shù)完整性由角系數(shù)完整性由角系數(shù)互換性由角系數(shù)互換性AAA213垂直板面方向?yàn)闊o限長如果垂直紙面方向的長度相同，則有如果垂直紙面方向的長度相同，則有：13212, 12llllX13212, 12AAAAX聯(lián)立求得：聯(lián)立求得：類似可寫出其他角系數(shù)類似可寫出其他角系數(shù).(b)(

19、b)任意兩個(gè)非凹表面間的角系數(shù)任意兩個(gè)非凹表面間的角系數(shù)垂直板面方向?yàn)闊o限長垂直板面方向?yàn)闊o限長12abcdcdabXX,2, 1則則:bdabacabXX,1abbcacabXacab2,abadbdabXbdab2,abbdacadbcX2)()(2, 112abcdabbdacadbcX2)()(2, 1的斷面長度表面不交叉線之和交叉線之和12注意：注意：這里的交叉線和不交叉線都是指虛擬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。斷面的線，或者說是輔助線。例例: : 求下列圖形中的角系數(shù)求下列圖形中的角系數(shù)1 2X，21 22 11AXXA，2 11X，21324RR431

20、1 222 1A XA X，解：解：2190o(a)在垂直于紙面方向無限長21 22 11 211 2114218AXXXAX，解：解：1 20.5X，解：解：12（b)半球內(nèi)表面與底面12(c)半球內(nèi)表面與1/4底面7-5 7-5 灰體表面灰體表面間的輻射換熱間的輻射換熱1. 1. 有效輻射及輻射表面熱阻有效輻射及輻射表面熱阻(1)(1)投入輻射投入輻射G G ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射投射到表到表面單位面積上的總輻射能面單位面積上的總輻射能.(W/m.(W/m2 2) ) (2)(2)有效輻射有效輻射J J ：?jiǎn)挝粫r(shí)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)離開表面單位面積間內(nèi)離開表面單位面積的總輻射能的總輻射能 .

21、(W/m.(W/m2 2) )11111111(1)bJEGEG1G11G11)1 (G1E1J(3) (3) 輻射表面熱阻輻射表面熱阻ab1G11G11)1 (G1E1J從表面從表面1 1外部來觀察其熱外部來觀察其熱平衡，表面凈失能量為：平衡，表面凈失能量為：從表面內(nèi)部觀察其熱平衡從表面內(nèi)部觀察其熱平衡, , 表面凈失能量為：表面凈失能量為：1111GJA11111GEA1111GEb11對(duì)漫對(duì)漫- -灰表面：灰表面：)(1111111WAJEb表面輻射熱阻表面輻射熱阻是表是表面為非黑體時(shí)存在面為非黑體時(shí)存在的熱阻的熱阻. .1bE11J1111A表面為黑體時(shí)表面為黑體時(shí), , =1=101

22、111A則11bEJ 有01但即黑體的有效輻射就是即黑體的有效輻射就是黑體的黑體的本身輻射本身輻射. .2.2.組成封閉腔的兩灰表面間的輻射換熱組成封閉腔的兩灰表面間的輻射換熱1,2111,2222,1A J XA J X12, 121)(AXJJ 12, 1211)(AXJJ 21 ,2211)(AXJJ 1J2J21 ,212, 111AXAX2 , 12222,11111212,1111AXAAEEbb2211，可見：1J2J11,21A X21，1bE1111A12bE2221A2)1(11)(22212,1111212,1AAXAEEbb)()(2112,1WEEAXbbs)11(1

23、)11()(21 ,212,112,121XXAXEEbb若以若以 為計(jì)算面積，上式可改寫為：為計(jì)算面積，上式可改寫為：1A定義系統(tǒng)黑度定義系統(tǒng)黑度( (或稱為系統(tǒng)發(fā)射率或稱為系統(tǒng)發(fā)射率):):)11()11(1121 ,212,1XXs討論幾種特例：討論幾種特例：a a 兩無限大平行灰平壁的輻射換熱兩無限大平行灰平壁的輻射換熱X X1,21,2 X X2,12,1 = 1 1A A1 1 = A = A2 2 = A= A111)(21212, 1AEEbb2J1Jb b 表面表面1 1為凸面或平面，為凸面或平面，1bE1J2J2bE1111A2221A21，12112, 111AAX) 1

24、1(1)(2211121AAAEEbb)1(11)(222111121AAAEEbb)1(11)(22212, 1111212, 1AAXAEEbb此時(shí)此時(shí)，X X1,21,21 1，c.c. 表面積表面積A A1 1比表面積比表面積A A2 2小得多，即小得多，即A A1 1/A/A2 2 0 0121122111212, 1)() 11(1)(AEEAAAEEbbbb01222A22bEJ 1bE1J1111A21，12112, 111AAX22bEJ 02但強(qiáng)化輻射換熱強(qiáng)化輻射換熱的主要途徑有兩種：的主要途徑有兩種：削弱輻射換熱削弱輻射換熱的主要途徑有三種：的主要途徑有三種： 輻射換熱的強(qiáng)化與削弱輻射換熱的強(qiáng)化與削弱: : 增加發(fā)射率；增加發(fā)射率； 增加角系數(shù)。增加角系數(shù)。 降低發(fā)射率；降低發(fā)射率； 降低角系數(shù)；降低角系數(shù)；(1)(1) 加入遮熱板。加入遮熱板。 3. 3. 遮熱板遮熱板111)(211212, 1AEEbb1T2T)(11121212, 1aEEqbb無3T1T2T在表面在表面1,21,2間插入一間插入一金屬薄板金屬薄板,