第六章 輻射換熱

1、第六章 輻射換熱 熱輻射是熱量傳遞的基本方式之一，以熱輻射方熱輻射是熱量傳遞的基本方式之一，以熱輻射方式進(jìn)行的熱量交換稱(chēng)為輻射換熱。式進(jìn)行的熱量交換稱(chēng)為輻射換熱。 輻射換熱在熱能動(dòng)力工程、核能工程、冶金、化工、航天、太陽(yáng)能利用、干燥技術(shù)以及日常生活中的加熱、供暖等方面具有非常廣泛的應(yīng)用。 本章主要從宏觀的角度介紹熱輻射的基本概念、基本定律以及輻射換熱的計(jì)算方法。 6-1 熱輻射的基本概念 1. 吸收、反射與透射吸收、反射與透射投入輻射投入輻射 單位時(shí)間內(nèi)投射到單位面積物體表面上的全單位時(shí)間內(nèi)投射到單位面積物體表面上的全波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射能波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射能.用 表示，單位W/m2。 其中被物體吸

2、收、反射和透射的份額分別為:吸收比吸收比 反射比反射比 透射比透射比 GGGGGGG根據(jù)能量守恒: 1投入輻射是某一波長(zhǎng)的輻射能 光譜吸收比光譜吸收比 光譜反射比光譜反射比 光譜透射比光譜透射比 GGGGGG 1 屬于物體的輻射特性，取決于物體的種類(lèi)、溫度和表面狀況，一般是波長(zhǎng)的函數(shù)。 不僅取決于物體的性質(zhì)，還與投射輻射能的波長(zhǎng)分布有關(guān)，這從下述關(guān)系式可以看出： 、G dG d00G dG d00G dG d00 當(dāng)熱輻射投射到固體或液體表面時(shí)，一部分被反射，其余部分在很薄的表面層內(nèi)被完全吸收。對(duì)于金屬，表面層厚度只有1m的量級(jí)；對(duì)于絕大多數(shù)非金屬材料，表面層厚度小于1mm。 因此，對(duì)于固體和

3、液體，可以認(rèn)為對(duì)熱輻射的透射比為零: 1為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，定義一些理想物體。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，定義一些理想物體。 鏡體鏡體（或白體白體）: 反射比 = 1的物體 絕對(duì)透明體絕對(duì)透明體: 透射比 = 1的物體。 物體表面對(duì)熱輻射的反射 鏡反射鏡反射 物體表面粗糙尺度小于投射輻射能的波長(zhǎng)物體表面粗糙尺度小于投射輻射能的波長(zhǎng). 例如高度拋光的金屬表面 漫反射漫反射 物體表面粗糙尺度大于投射輻射能的波長(zhǎng)物體表面粗糙尺度大于投射輻射能的波長(zhǎng). v對(duì)全波長(zhǎng)范圍的熱輻射能完全鏡反射或完全漫反射的實(shí)際物體是不存在的，絕大多數(shù)工程材料對(duì)熱輻射的反射都近似于漫反射。 2. 灰體與黑體 灰體灰體 光譜輻射特性不隨波長(zhǎng)而變化

4、的假想物體. 分別等于常數(shù)。 v 在熱輻射的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，絕大多數(shù)工程材料都可以近似地作為灰體處理。（紅外波段） 、 絕對(duì)黑體絕對(duì)黑體 吸收比 = 1的物體，簡(jiǎn)稱(chēng)黑體。黑體。q在所有物體之中，它吸收熱輻射的能力最強(qiáng)。 q在溫度相同的物體之中，黑體發(fā)射輻射能的能力也最強(qiáng)。q黑體和灰體一樣，是一種理想物體。 人工黑體模型 內(nèi)表面吸收比較高的空腔 小孔的尺寸與空腔相比足夠小，則從小孔進(jìn)入空腔的輻射能經(jīng)過(guò)空腔壁面的多次吸收和反射后，幾乎全部被吸收，相當(dāng)于小孔的吸收比接近于1。 v黑體、白體與日常生活中所說(shuō)的白色物體與黑色物體不同: 顏色只是對(duì)可見(jiàn)光而言，而可見(jiàn)光在熱輻射的顏色只是對(duì)可見(jiàn)光而言，而可見(jiàn)光在

5、熱輻射的波長(zhǎng)范圍中只占很小部分波長(zhǎng)范圍中只占很小部分e.g. 白雪對(duì)紅外線的吸收比高達(dá)0.94；白布和黑布對(duì)可見(jiàn)光的吸收比差別很大，但對(duì)紅外線的吸收比基本相同。鏡體、絕對(duì)透明體、灰體、黑體都一樣，是一種理想物體，自然界中并不存在。 輻射力 輻射力輻射力 單位時(shí)間內(nèi)，每單位面積的物體表面向半球空間發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻射能總和稱(chēng)為該物體表面的輻射力，符號(hào)E，單位W/m2。 光譜（單色）輻射力光譜（單色）輻射力 只對(duì)某一波長(zhǎng)輻射能的輻射力，符號(hào)E，單位W/m3或者W/m2m。 定向輻射力定向輻射力 在單位時(shí)間內(nèi)，單位面積物體表面向某個(gè)方向某個(gè)方向發(fā)射的單位立體角內(nèi)的所有波長(zhǎng)輻射能，符號(hào) ，單位W/(m

6、2Sr)。 0EE dEq 立體角立體角 半徑r的球面上面積 A 與球心所對(duì)應(yīng)空間角度 立體角的單位叫球面度球面度，用Sr表示。半個(gè)球面所對(duì)應(yīng)的立體角為2 Sr。 2Ar ddrdrrddAsinsin22ddrdAdsin22輻射強(qiáng)度 單位時(shí)間內(nèi)從單位投影面積（可見(jiàn)面積）所發(fā)出的包含在單位立體角內(nèi)的輻射能。 ddAd,Lcos1dA1在（ ）方向的輻射強(qiáng)輻射強(qiáng)度度，或稱(chēng)定向輻射強(qiáng)度定向輻射強(qiáng)度，單位W/(m2Sr)。 , 輻射強(qiáng)度的大小:o 不僅取決于物體種類(lèi)、表面性質(zhì)、溫度o 還與方向有關(guān) 對(duì)于各向同性的物體表面，輻射強(qiáng)度與角 無(wú)關(guān): 以下討論僅限于各向同性物體表面。 LL ,光譜輻射強(qiáng)度

7、： 只對(duì)某一波長(zhǎng)輻射能而言的輻射強(qiáng)度，用符號(hào) 表示。單位 W/(m3Sr) 或W/(m2mSr) 輻射強(qiáng)度與光譜輻射強(qiáng)度之間的關(guān)系可表示為 L LLd0定向輻射力與輻射力關(guān)系 2EE d定向輻射力與輻射強(qiáng)度關(guān)系 ELcos輻射力與輻射強(qiáng)度關(guān)系 ELdcos26-2 黑體輻射的基本定律 普朗克定律普朗克定律 黑體輻射的光譜分布規(guī)律： 1251bT/CeCE 波長(zhǎng)，m； T熱力學(xué)溫度，K； C1普朗克第一常數(shù)，C1= 3.74310-16 Wm2 ; C2普朗克第二常數(shù)， C2 = 1.43910-2 mK。 黑體的光譜輻射力 可見(jiàn)光光譜輻射力隨波長(zhǎng)和溫度的變化特點(diǎn)： 溫度愈高，同一波長(zhǎng)下的光譜輻

8、射力愈大； 在一定的溫度下，黑體的光譜輻射力隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，并在某一波長(zhǎng)下具有最大值； 隨著溫度的升高，光譜輻射力取得最大值的波長(zhǎng)max愈來(lái)愈小，即在坐標(biāo)中的位置向短波方向移動(dòng)。 維恩（Wien）位移定律 黑體的光譜輻射力取得最大值的波長(zhǎng)max與熱力學(xué)溫度T之間的關(guān)系為 根據(jù)維恩位移定律，可以確定任一溫度下黑體的光譜輻射力取得最大值的波長(zhǎng)。 KmT33max109 . 2108976. 2m5 . 0maxv太陽(yáng)近似為表面溫度約為5800 K的黑體 位于可見(jiàn)光的范圍內(nèi)，所以可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍雖窄（0.380.76 m），占太陽(yáng)輻射能的份額卻很大（約為44.6%）。斯忒藩玻耳茲曼定律 確定了黑體的

9、輻射力Eb與熱力學(xué)溫度T之間的關(guān)系 = 5.6710-8 W/(m2K4)，稱(chēng)為斯忒藩斯忒藩玻耳玻耳茲曼常數(shù)茲曼常數(shù)，又稱(chēng)為黑體輻射常數(shù)黑體輻射常數(shù)。 又稱(chēng)為四次方定律四次方定律 可以直接由下式導(dǎo)出 4bTE0510bb12deCdEE)T/(C波段輻射力 黑體在一定的溫度下發(fā)射的某一波長(zhǎng)范圍（或稱(chēng)波段）12內(nèi)的輻射能 1221210b0bbbdEdEdEE 這一波段的輻射能占黑體輻射力Eb的百分?jǐn)?shù)為 121221210b0bb0bb0bbbbFFEdEEdEEEF根據(jù)普朗克定律表達(dá)式 2251/0b0b 04451/01(1)CTTCTCdE deFTTCTdTfTe 表示溫度為T(mén)的黑體所發(fā)

10、射的在波段（0）內(nèi)的輻射能占同溫度下黑體輻射力的百分?jǐn)?shù)。 利用黑體輻射函數(shù)圖表，可以很容易地用下式計(jì)算黑體在某一溫度下發(fā)射的任意波段的輻射能量： 稱(chēng)為稱(chēng)為黑體輻射函數(shù)黑體輻射函數(shù) Tf1221bbb 0b 0EFFE 例題6-1 試計(jì)算太陽(yáng)輻射中可見(jiàn)光所占的比例。 解：太陽(yáng)可認(rèn)為是表面溫度為T(mén) = 5762 K的黑體，可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍是0.380.76m ，即1 = 0.38 um , 2 = 0.76 m , 于是 由黑體輻射函數(shù)表可查得 可見(jiàn)光所占的比例為 從上述結(jié)果可以看出，太陽(yáng)輻射中可見(jiàn)光所占的比例很大。12190m KT24380m KT1b 09.94%F2b 054.59%F12

11、22bb 0b 0= 44.65%FFF蘭貝特定律 黑體的輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)，即半球空間各方向上的輻射強(qiáng)度都相等。 漫發(fā)射體漫發(fā)射體 :輻射強(qiáng)度在空間各個(gè)方向上都相等的物體 LL 常數(shù)根據(jù)定向輻射力與輻射強(qiáng)度的關(guān)系關(guān)系式，有 ELEncoscos表面法線方向的定向輻射力 因?yàn)槎ㄏ蜉椛淞﹄S方向角按余弦規(guī)律變化，所以蘭貝特定律也稱(chēng)為余弦定律余弦定律。 對(duì)于漫發(fā)射體，根據(jù)輻射力與輻射強(qiáng)度之間的關(guān)系式和上式， LddLdLdE202/0202/0cossincossin即漫發(fā)射體的輻射力是輻射強(qiáng)度的 倍。 6-3 實(shí)際物體的輻射特性、基爾霍夫定律 1.實(shí)際物體的發(fā)射特性實(shí)際物體的發(fā)射特性發(fā)射率發(fā)射率（

12、黑度黑度） 實(shí)際物體輻射力與同溫度下黑體輻射力之比 bEE發(fā)射率的大小反映了物體發(fā)射輻射能的能力的大小。 光譜光譜發(fā)射率發(fā)射率（光譜黑度光譜黑度） 實(shí)際物體的光譜輻射力與同溫度下黑體的光譜輻射力之比 bEE發(fā)射率與光譜發(fā)射率關(guān)系 b0bEdE灰體:光譜輻射特性不隨波長(zhǎng)而變化， 常數(shù)， b0bEdEv灰體的光譜輻射力隨波長(zhǎng)的變化趨勢(shì)與黑體相同。 同溫度下黑體、灰體和實(shí)際物體的光譜輻射力隨波長(zhǎng)變化 光譜輻射力隨波長(zhǎng)的變化 光譜發(fā)射率隨波長(zhǎng)的變化 實(shí)際物體的光譜輻射力隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律完全不同于黑體和灰體。 在工程計(jì)算中，實(shí)際物體的輻射力可以由下式計(jì)算 4bTEEv實(shí)際物體的輻射力并不嚴(yán)格與熱力學(xué)溫度

13、的四次方成正比，所存在的偏差包含在由實(shí)驗(yàn)確定的發(fā)射率中。 定向發(fā)射率定向發(fā)射率（定向黑度定向黑度） 實(shí)際物體在方向上的定向輻射力與同溫度下黑體在該方向的定向輻射力之比 bbLLEE對(duì)于漫發(fā)射體，各方向的定向發(fā)射率相等。實(shí)際物體不是漫發(fā)射體，即輻射強(qiáng)度在空間各個(gè)方向的分布不遵循蘭貝特定律，是方向角的函數(shù)。因此實(shí)際物體的定向發(fā)射率與方向有關(guān)，是方向角的函數(shù)。 幾種金屬材料的定向發(fā)射率（t=150） 磨光的Ni無(wú)光澤Nin 1012. .幾種非金屬材料的定向發(fā)射率( (t=093.3） n 09510. . 對(duì)于工程設(shè)計(jì)中遇到的絕大多數(shù)材料，都可以忽略 隨 的變化，近似地看作漫發(fā)射體。 發(fā)射率數(shù)值大

14、小取決于材料的種類(lèi)、溫度和表面狀況，通常由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 表中列舉了一些常用材料的法向發(fā)射率值。 2. 實(shí)際物體的吸收特性 實(shí)際物體的光譜吸收比也與黑體、灰體不同，是波長(zhǎng)的函數(shù)。 這種輻射特性隨波長(zhǎng)變化的性質(zhì)稱(chēng)為輻射特性對(duì)波長(zhǎng)的選擇性選擇性。 實(shí)際物體的吸收比:1. 取決于物體本身材料的種類(lèi)、溫度及表面性質(zhì)，2. 還和投入輻射的波長(zhǎng)分布有關(guān)，因此和投入輻射能的發(fā)射體溫度有關(guān) 一些金屬材料的光譜吸收比 一些非金屬材料的光譜吸收比 一些材料對(duì)黑體輻射的吸收比隨黑體溫度的變化 實(shí)際物體光譜輻射特性隨波長(zhǎng)的變化給輻射換熱計(jì)算帶來(lái)很大的困難，因此引進(jìn)光譜輻射特性不隨波長(zhǎng)變化的假想物體灰體的概念。 由于工程上

15、的熱輻射主要位于0.7610m的紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)，絕大多數(shù)工程材料的光譜輻射特性在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)變化不大，因此在工程計(jì)算時(shí)可以近似地當(dāng)作灰體處理，不會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。 3. 基爾霍夫定律 物體吸收輻射能的能力與發(fā)射輻射能的能力之間的關(guān)系 T ,T ,q吸收輻射能的能力愈強(qiáng)的物體，發(fā)射輻射能的能力也就愈強(qiáng)。q在溫度相同的物體中，黑體吸收輻射能的能力最強(qiáng)，發(fā)射輻射能的能力也最強(qiáng)。 對(duì)于漫射體，輻射特性與方向無(wú)關(guān)，基爾霍夫定律表達(dá)式為 TT 對(duì)于漫射、灰體漫射、灰體，輻射特性與波長(zhǎng)無(wú)關(guān) TT 對(duì)于工程上常見(jiàn)的溫度范圍（T 2000K），大部分輻射能都處于紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)，絕大多數(shù)工程材料都可以近似為漫發(fā)射

16、、灰體 但在太陽(yáng)能利用中研究物體表面對(duì)太陽(yáng)能的吸收和本身的熱輻射時(shí)，不能簡(jiǎn)單地將物體當(dāng)作灰體而認(rèn)為對(duì)太陽(yáng)能的吸收比等于自身輻射的發(fā)射率。 近50%的太陽(yáng)輻射位于可見(jiàn)光可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，而自身熱輻射位于紅外波長(zhǎng)紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)。 常溫下，各種顏色油漆的發(fā)射率約0.9，但白漆對(duì)可見(jiàn)光的吸收比只有0.10.2。 6-4 輻射換熱的計(jì)算方法 為了使輻射換熱的計(jì)算簡(jiǎn)化，假設(shè) 1. 進(jìn)行輻射換熱的物體表面之間是不參與輻射的介質(zhì)(如單原子或具有對(duì)稱(chēng)分子結(jié)構(gòu)的雙原子氣體、空氣)或真空； 2. 參與輻射換熱的物體表面都是漫射（漫發(fā)射、漫反射）、灰體或黑體表面； 3. 每個(gè)表面的溫度、輻射特性及投入輻射分布均勻。

17、 1. 角系數(shù) 物體間的輻射換熱必然與物體表面的幾何形狀、大小及相對(duì)位置有關(guān)，角系數(shù)是反映這些幾何因素對(duì)輻射換熱影響的重要參數(shù)。(1)角系數(shù)的定義角系數(shù)的定義 從表面1發(fā)出（自身發(fā)射與反射）的總輻射能中直接投射到表面2上的輻射能所占總輻射能的百分?jǐn)?shù)稱(chēng)為表面1對(duì)表面2的角系角系數(shù)數(shù)X1 2 , 假設(shè)：表面1、2都是黑體表面表面1、2上的微元面積, 距離為r, 兩個(gè)微元表面的方向角分別為 根據(jù)輻射強(qiáng)度的定義，單位時(shí)間內(nèi)從 發(fā)射到 上的輻射能為 dAdA12、12、22211121coscosrdAdALdb2dA1dA 根據(jù)輻射強(qiáng)度與輻射力之間的關(guān)系 代入上式，可得 bbEL 212211b21d

18、AdArcoscosEd可得到從整個(gè)表面1發(fā)射到表面2的輻射能為 1212212211b212211b21coscoscoscosAAAAdAdArEdAdArE 在上述假設(shè)條件下，每個(gè)表面輻射力都均勻分布，從表面1向半球空間發(fā)射的總輻射能為 122122111b1212, 1coscos1AAdAdArAEAX1b1EA同樣, 表面2對(duì)表面1的角系數(shù)為 122122122b2121 , 2coscos1AAdAdArAEAXv在上述假設(shè)條件下，角系數(shù)是幾何量幾何量，只取決于兩個(gè)物體表面的幾何形狀、大小和相對(duì)位置。 2) 角系數(shù)的性質(zhì) 1)相對(duì)性相對(duì)性（互換性互換性） 2)完整性完整性 A X

19、A X11 222 1,XXXXXi jiii ijni n,1211對(duì)于非凹表面 Xi i , 03) 可加性 實(shí)質(zhì)上是輻射能的可加性，體現(xiàn)能量守恒。實(shí)質(zhì)上是輻射能的可加性，體現(xiàn)能量守恒。 對(duì)于圖a 對(duì)于圖b baXEAXEAXEA, 1b11, 1b112, 1b11XXXab1 211,3 , 1b112, 1b1132, 1b11XEAXEAXEA3121321,XXX(2) 角系數(shù)的計(jì)算方法 1)積分法積分法 根據(jù)角系數(shù)積分表達(dá)式通過(guò)積分運(yùn)算求得角系數(shù)的方法。為了工程計(jì)算方便, 已將常見(jiàn)幾何系統(tǒng)的角系數(shù)計(jì)算結(jié)果用公式或線算圖的形式給出，書(shū)中表列出了幾種幾何系統(tǒng)的角系數(shù)計(jì)算公式。2)

20、代數(shù)法代數(shù)法 利用角系數(shù)的定義及性質(zhì), 通過(guò)代數(shù)運(yùn)算確 定角系數(shù)的方法。 (a)：由非凹表面1與凹形表面2構(gòu)成的封閉空腔 (b)：由凸表面物體1與包殼2構(gòu)成的封閉空腔, X1 21,根據(jù)角系數(shù)的相對(duì)性 XAA2 112,122211,XAXA 圖(c) ：兩個(gè)凹形表面1、2構(gòu)成的封閉空腔, 做一假想平面2a , 因?yàn)閺谋砻?投射到表面2上的輻射能也都全部穿過(guò)假想表面2a, XXa1 21 2,XXAAaa1 21 221,(d)：兩塊距離很近的大平壁, 通過(guò)邊緣縫隙和其他物體的輻射換熱可以忽略的情況 XX1 22 11,由三個(gè)垂直于紙面方向無(wú)限長(zhǎng)的非凹表面構(gòu)成的封閉空腔 根據(jù)角系數(shù)的相對(duì)性A

21、XA XA11 211 31,A XA XA22 122 32,A XA XA33133 23,A XA X11 222 1,A XA X11 3331,A XA X22 333 2, 可得 A XA XA XAAA11 211 322 312312,()XAAAAllll1 21231123122,XAAAAllll1 31321132122,XAAAAllll2 32312231222,式中l(wèi)1、l2、l3分別為系統(tǒng)橫斷面上表面1、2、3的交線長(zhǎng)度 兩個(gè)在垂直于紙面方向無(wú)限長(zhǎng)的非凹表面1、2, 橫斷面的線段長(zhǎng)度分別為ab、cd。 做輔助線ac、bd、ad、bc，分別代表4個(gè)同樣垂直于紙面方

22、向無(wú)限長(zhǎng)的輔助平面。 對(duì)于表面1、2與輔助平面ac、bd構(gòu)成的封閉空腔abcd , 根據(jù)完整性, 可得 XXXacbd1 2111, 112lbcacabXac,112ladbdabXbd, 這種確定角系數(shù)的方法稱(chēng)為交叉線法交叉線法，適用于求解無(wú)限長(zhǎng)延伸表面間的角系數(shù)。 abbdacbcadX,221的橫斷面線段長(zhǎng)度倍表面非交叉線長(zhǎng)度之和交叉線長(zhǎng)度之和1221,X2. 黑體表面之間的輻射換熱 對(duì)于任意位置的兩個(gè)黑體表面1、2 ，從表面1發(fā)出并直接投射到表面2上的輻射能為 1b21121EXA,同時(shí)從表面2發(fā)出并直接投射到表面1上的輻射能為 2b12212EXA,由于兩個(gè)表面都是黑體表面黑體表面

23、, 落在它們上面的輻射能會(huì)被各自全部吸收, 所以?xún)蓚€(gè)表面之間的直接輻射換熱量為 2b1 , 221b2, 1112212, 1EFAEXA11,222,1A XA X根據(jù)角系數(shù)的相對(duì)性 2b1b1 , 222b1b2, 112, 1EEXAEEXA寫(xiě)成電學(xué)中歐姆定律表達(dá)式的形式 相當(dāng)于電勢(shì)差 相當(dāng)于電阻, 稱(chēng)為空間輻射熱阻空間輻射熱阻, 可以理解為由于兩個(gè)表面的幾何形狀、大小及相對(duì)位置給它們之間的輻射換熱形成的阻力。 2112b1b211,XAEE2b1bEE111 2A X, 上式計(jì)算的是兩個(gè)任意位置的黑體表面1、2之間直接的輻射換熱量，并不等于表面1凈損失的輻射能量或表面2凈獲得的輻射能量

24、, 因?yàn)檫€和周?chē)渌砻嬷g進(jìn)行輻射交換。 如果兩個(gè)黑體表面構(gòu)成封閉空腔，則既是表面1凈損失的熱量，也是表面2凈獲得的熱量?？捎幂椛渚W(wǎng)絡(luò)表示： 如果由n個(gè)黑體表面構(gòu)成封閉空腔, 那么每個(gè)表面的凈輻射換熱量應(yīng)該是該表面與封閉空腔的所有表面之間輻射換熱量的代數(shù)和， njjij , iinjj , iiEEXA1bb13. 漫灰表面之間的輻射換熱 (1) 有效輻射有效輻射 單位時(shí)間內(nèi)離開(kāi)單位面積表單位時(shí)間內(nèi)離開(kāi)單位面積表面的總輻射能面的總輻射能, , 符號(hào)符號(hào) J, , 單單位是位是W/m2。 有效輻射是單位面積表面自身的輻射力與反射的投入輻射之和 GEGEJ1b根據(jù)表面的輻射平衡, , 單位面積的

25、輻射換熱量應(yīng)該等于有效輻射與投入輻射之差 也等于自身輻射力與吸收的投入輻射能之差 AJGGEAbAJEJEA11bb并考慮到漫灰表面, 可得 相當(dāng)于電勢(shì)差 相當(dāng)于電阻, 稱(chēng)表面輻射熱阻表面輻射熱阻 v對(duì)于黑體表面， 表面輻射熱阻為零， 1bEJ (2) 兩個(gè)漫灰表面構(gòu)成的封閉空腔中的輻射換熱 表面1凈損失的熱量為 表面2凈獲得的熱量為 11111b11AJE2222b221AEJ21121211,XAJJ 表面1、2之間凈輻射換熱量為 1 211 2122 12,A XJA XJ表面表面1、2之間的空間輻射熱阻之間的空間輻射熱阻 由于表面1、2構(gòu)成一個(gè)封閉空腔 12122222111112b1

26、b12111AXAAEE,表面輻射熱阻表面輻射熱阻 空間輻射熱阻空間輻射熱阻 前式可改寫(xiě)為 系統(tǒng)黑度系統(tǒng)黑度 )(11111)(11111)(b2b12, 11s21 . 212, 1b2b12, 11222, 1112, 1b2b12, 112, 1EEXAXXEEXAAXAXEEXAs1,22,112111 111 XX 對(duì)于兩塊平行壁面構(gòu)成的封閉空腔 系統(tǒng)黑度為 AAA21XX1 22 11,b1b21,21,2b1b212()111A EEAEE1,2121111(3) 多個(gè)漫灰表面構(gòu)成的封閉空腔中的輻射換熱 封閉空腔內(nèi)的任意一個(gè)表面i凈損失的輻射熱流量為 iiiiiiAJE1b等于i

27、表面與封閉空腔中所有其它表面間分別交換的輻射熱流量的代數(shù)和 njjiijijinjjiiiXAJJJJXA1,1,1于是可得 輻射網(wǎng)絡(luò) njjiijiiiiiiXAJJAJE1,b11輻射網(wǎng)絡(luò)法 運(yùn)用電學(xué)中直流電路的求解方法, 按照式列出所有節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)方程, 解出各節(jié)點(diǎn)的有效輻射, 就可以利用式求出各表面的凈輻射換熱量。重輻射面 有效輻射等于投入輻射，即 表面的凈輻射換熱量等于零。 相當(dāng)于從各方向投入的輻射能又如數(shù)發(fā)射出去。如熔爐中的反射拱、 保溫良好的爐墻等 重輻射面的存在改變了封閉空腔中輻射能的光譜分布 v 重輻射面的溫度與其它表面的溫度不同 v 對(duì)于由漫灰表面構(gòu)成的封閉空腔來(lái)說(shuō)，輻射面的

28、存在改變了輻射能的方向分布 JGii 對(duì)于灰體重輻射面 iiibiiiiiG)(EGEJ1iiiiGJ 代入上式, 可得 iiEJbv在輻射換熱網(wǎng)絡(luò)中, 重輻射面的有效輻射節(jié)點(diǎn)是浮動(dòng)的, 并且有效輻射等于其輻射力。 輻射網(wǎng)絡(luò)中的重輻射面3 例題6-2 一黑體爐的圓柱型爐腔的直徑為d = 10cm、深度為l = 40cm , 爐腔內(nèi)壁面黑度為 = 0.9 ，爐內(nèi)溫度為1000。試問(wèn):1. 如果室內(nèi)壁面溫度為27, 爐門(mén)打開(kāi)時(shí),單位 時(shí)間內(nèi)從爐門(mén)的凈輻射散熱損失為多少？2. 單位時(shí)間內(nèi)從爐門(mén)發(fā)射出多少輻射能？ 2222111112b1b12111AXAAEE,1. 將爐門(mén)開(kāi)口假想為一黑體表面，溫度

29、為27 2.如果假想黑體表面的熱力學(xué)溫度為0 K，則與之間的輻射換熱量就等于從爐門(mén)發(fā)射出的輻射能量 211141211121121111AATAAEEbb6-5 遮熱板的原理 在現(xiàn)代隔熱保溫技術(shù)中，遮熱板的應(yīng)用比較廣泛.例如:1. 煉鋼工人的遮熱面罩2. 航天器的多層真空艙壁3. 低溫技術(shù)中的多層隔熱容器4. 測(cè)溫技術(shù)中測(cè)溫元件的輻射屏蔽遮熱板的主要作用就是削弱輻射換熱。下面以?xún)蓧K靠得很近的大平壁間的輻射換熱為例來(lái)說(shuō)明遮熱板的工作原理。 當(dāng)沒(méi)有遮熱板時(shí)，兩塊平壁間的輻射換熱量可按式算得 4412b1b21212()11211ATTA EEQ 在兩塊平壁之間加一塊大小一樣、表面發(fā)射率相同的遮熱板

30、3 通常為金屬薄片，導(dǎo)熱熱阻很小，可忽略，遮熱板兩面的溫度基本相同 增加了兩個(gè)表面輻射熱阻、一個(gè)空間輻射熱阻. 總輻射熱阻增加了1倍，在平壁溫度保持不變的情況下，輻射換熱量減少為原來(lái)的1/2 1211212 依此類(lèi)推，如果加n層同樣的遮熱板，則輻射熱阻將增大n倍，輻射換熱量將減少為 121211nnv實(shí)際上，遮熱板通常采用表面反射率高、發(fā)射率小的材料，如表面高度拋光的薄鋁板，使表面輻射熱阻很大，削弱輻射換熱的效果要比上式的計(jì)算結(jié)果好的多。 在輻射換熱的同時(shí)，還存在導(dǎo)熱和對(duì)流換熱，所以在工程中，通常在多層遮熱板中間抽真空，將導(dǎo)熱和對(duì)流換熱減少到最低限度。這種隔熱保溫技術(shù)在航天、低溫工程中得到廣泛

31、的應(yīng)用。 遮熱板在測(cè)溫技術(shù)測(cè)溫技術(shù)中也得到應(yīng)用在用熱電偶測(cè)量高溫氣體的溫度時(shí)，為了減少輻射換熱產(chǎn)生的測(cè)溫誤差，需要在給熱電偶加裝輻射屏蔽（遮熱罩） 帶遮熱罩的抽氣式熱電偶測(cè)溫示意圖 如用裸露的熱電偶進(jìn)行測(cè)量，忽略熱電偶連線的導(dǎo)熱，根據(jù)穩(wěn)態(tài)情況下熱電偶端點(diǎn)的熱平衡424111fTTATTAh由上式可以得出熱電偶的測(cè)溫誤差測(cè)溫誤差為 hTTTT424111f當(dāng)Tf = 1000 K、T2 = 800 K、 1 = 0.8、h = 40 W/(m2K)時(shí)，測(cè)溫誤差可達(dá)144 K。 如果給熱電偶端部加一個(gè)表面發(fā)射率為 3 = 0.2的遮熱罩3 假設(shè)熱電偶和遮熱罩處的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)都為h = 40 W/(

32、m2K)，則熱電偶端點(diǎn)的熱平衡表達(dá)式為 434111fTTTTh還必須考慮遮熱罩的熱平衡 424333f2TTTTh可求得測(cè)溫誤差，結(jié)果為44 K .加遮熱罩后，相對(duì)測(cè)溫誤差由14.4%降低到4.4% 。為進(jìn)一步減少測(cè)溫誤差，通常遮熱罩做成抽氣式，以便強(qiáng)化燃?xì)馀c熱電偶之間的對(duì)流換熱，6-6 太陽(yáng)輻射 1. 維持地球生存環(huán)境溫度的熱源，2. 還可以通過(guò)光合作用轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存在食物和燃料之中供人類(lèi)使用，3. 也可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芑蛲ㄟ^(guò)光電效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芗右岳谩?半徑約為 km的球體輻射源，位于地球橢圓形軌道的焦點(diǎn)上，離地平均距離約 km。由于距離遙遠(yuǎn)，所以到達(dá)地球的太陽(yáng)射線近似于平行。 13921

33、06.1496108. 在太陽(yáng)和地球的平均距離上，在地球大氣層外緣與太陽(yáng)射線垂直的單位面積上接收到的太陽(yáng)輻射能為 2/6 . 11367mWSc太陽(yáng)常數(shù)太陽(yáng)常數(shù) 與地理位置和時(shí)間無(wú)關(guān).可算得太陽(yáng)表面相當(dāng)于5762K的黑體，其光譜輻射力取得最大值的波長(zhǎng)約為0.5m，位于可見(jiàn)光范圍內(nèi)。太陽(yáng)輻射能中紫外線（=410-3 0.38 m）約占8.7%，可見(jiàn)光（= 0.38 0.76 m）約占44.6%，紅外線（ = 0.76 103 m）約占45.4%。約98%的太陽(yáng)輻射位于 = 0.2 3.0m的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。 大氣層外緣地球表面光 譜 入射波長(zhǎng)太陽(yáng)投射輻射4800K黑體輻射大氣層大氣層外緣外緣地球表地

34、球表面面5800K黑體輻射 太陽(yáng)投射輻射 太陽(yáng)輻射光譜分布 地球大氣層外緣某區(qū)域水平面上單位面積所接受到的太陽(yáng)輻射能為 cosfSGc, s0f 考慮地球繞太陽(yáng)運(yùn)行軌道的橢圓形而加的修正系數(shù)， 太陽(yáng)射線與水平面法線的夾角，稱(chēng)為天頂角天頂角 031970.f 太陽(yáng)射線沿程被大氣層中的O3（臭氧）、O2、H2O、CO2以及塵埃等吸收、散射和反射，強(qiáng)度逐漸減弱，影響因素：1.太陽(yáng)射線在大氣中的行程長(zhǎng)度； 取決于一年四季的日期、一天的時(shí)間以及所在的地球緯度。2.大氣的成分及被污染的程度。v在夏季理想的大氣透明度條件下，中午前后到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射約為1000W/m2左右。 大氣層中的O3、O2、H2O、CO2等氣體對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收具有選擇性，它們只能吸收一定波長(zhǎng)范圍的輻射能。 q臭氧（O3）對(duì)紫外線有強(qiáng)烈地吸收作用， 0.3 m的紫外線幾乎全部被吸收，0.4 m以下的射線被大大衰減；qO3和O2對(duì)可見(jiàn)光也有一定的吸收作用；qH2O和CO2主要吸收紅外線區(qū)域內(nèi)的輻射能；q在整個(gè)太陽(yáng)光譜范圍內(nèi)，大氣中的灰塵等懸浮顆粒對(duì)太陽(yáng)輻射都具有吸收作用。 太陽(yáng)輻射在大氣層中兩種散射現(xiàn)象 瑞利散射瑞利散射 （或分子散射） 由氣體分子引起的幾乎各個(gè)方向分布均勻的散射由于氣體分子對(duì)短波輻射散射強(qiáng)烈，所以晴朗的天空是蘭色的 米散射米散射 由大氣中