第11章輻射換熱

1、工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)傳熱學(xué)傳熱學(xué)第十一章第十一章 輻射換熱輻射換熱第十一章第十一章 輻射換熱輻射換熱內(nèi)容要求內(nèi)容要求v掌握熱輻射的基本概念；掌握熱輻射的基本概念；v掌握黑體，黑體輻射的基本定律；掌握黑體，黑體輻射的基本定律；v實際物體的輻射特性，基爾霍夫定律；實際物體的輻射特性，基爾霍夫定律；v重點掌握角系數(shù)，輻射換熱的計算方法重點掌握角系數(shù)，輻射換熱的計算方法 （黑體表面間，漫灰表面間的輻射換熱）；（黑體表面間，漫灰表面間的輻射換熱）；v重點掌握遮熱板原理。重點掌握遮熱板原理。 熱輻射： 物體由于受熱而向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象。 熱輻射的波長范圍 111 熱輻射的基本概念 理論上

2、 ：0 整個波譜； 日常生活, 工業(yè)上常見的溫度范圍內(nèi) ：0.1 100 m， 包括部分紫外線，可見光，部分紅外線； 工業(yè)上常見溫度范圍T2000K時： ：0.76 10 m 輻射換熱（Radiation heat transfer）發(fā)射，吸收輻射能 兩物體溫度不同時，高溫物體失去熱量； 兩物體溫度相同時，輻射換熱量為零。 11-1-1 吸收，反射和透過 投入輻射G： 單位時間投射到單位面積物體表面上 全部波長范圍內(nèi)的輻射能。W/2 根據(jù)能量守恒：GGGG或：GGGGGG1 1 吸收比，反射比和透過比 吸收比(Absorptivity) 反射比(Reflectivity) 透過比(Tranmi

3、ssivity) 某一波長的投入輻射G：GGGGGGGGGG1 光譜吸收比(Absorptivity) 光譜反射比(Reflectivity) 光譜透過比(Tranmissivity) 2 不同物體表面的輻射特性 熱輻射投射到固體，液體表面上：01兩種反射現(xiàn)象：鏡反射 (Specular reflection)漫反射 (Diffuse reflection) 漫射表面：漫反射和漫發(fā)射 熱輻射投射到氣體表面上：01容積性表面性 11-1-2 黑體，鏡體和絕對透明體 絕對黑體（黑體）：1 鏡體（白體）：1 絕對透明體：1 白雪 ： （接近黑體）； 白布，黑布吸收比基本相同； 玻璃可透過可見光，對紅

4、外線幾乎不透過。 94. 0例如黑體，白體不同于黑色物體，白色物體。區(qū)別 吸收，發(fā)射輻射能能力最強 112 黑體輻射的基本定律 普朗特定律，維恩位移定律， 斯忒藩-波耳茲曼定律，蘭貝特定律。 11-2-1 普朗特定律 1. 輻射力和光譜輻射力 輻射力 (Emissive power) 單位時間單位面積物體表面向半球空間的所有方向發(fā)射全部波長范圍的輻射能的總量，稱為 該物體表面的輻射力。E，W/m2 光譜輻射力 (Emissive power) 單位時間單位面積物體表面向半球空間的 所有方向發(fā)射波長到+d范圍的輻射能， 稱為該物體表面的輻射力。E，W/m3dEE0 對黑體輻射：bbEE 不同溫度

5、下黑體的光譜輻射力隨波長的變化： T一定時，00:0:max,bbmEE 一定時，bbEET, 2. 普朗特定律1900年，普朗特確定黑體輻射的光譜分布規(guī)律。1251TCbeCE),(TfEb 11-2-2 維恩位移定律光譜輻射力為 Eb,max時，和 T 之間的關(guān)系。0ddEb可得:KmTm33109 . 2108976. 2并且:355max,/10106. 1mWTEb當(dāng)溫度不變時:推導(dǎo) 隨T的升高，Eb對應(yīng)的波長向短波遷移。舉例計算溫度分別為2000K 和5800K的黑體與Eb,max對應(yīng)的。解：由維恩位移公式：mKTmKTmm5 .058006 .2897,580045.120006

6、 .2897,2000說明 工業(yè)上一般高溫范圍（2000K以下）時， 與Eb,max對應(yīng)的位于紅外線區(qū)段； 溫度近于太陽表面溫度（5800K）時， 與Eb,max對應(yīng)的位于可見光區(qū)段。 11-2-3 斯忒藩-波耳茲曼定律 1879年斯忒藩（實驗）,1884年波耳茲曼（理論）確定了黑體的 Eb與 T的關(guān)系。40TEb式中: 黑體輻射常數(shù))/(1067. 54280KmW0另一種形式:240/)100(mWTCEb式中: C0 黑體輻射系數(shù))/(67. 5420KmWC舉例計算黑體表面溫度為27 和627時的輻射力 Eb。解：黑體表面溫度為27時：244101/459)10027327(67. 5

7、)100(mWTCEb黑體表面溫度為627時：2344202/102 .37)100273627(67. 5)100(mWTCEb分析81, 31212bbEETT說明高溫和低溫兩種情況下，黑體的輻射能力有明顯的差別。 波段內(nèi)黑體輻射力：dEEbb0實際問題：dEEbb2121)( 引入輻射比)(21bF)0()0(400)(122121211bbbbbbFFdETdEdEF其中： 為黑體輻射函數(shù)（表11-1） )0(bF 則波段內(nèi)黑體輻射力：bbbbEFFE)0()0()(1221 11-2-4 蘭貝特定律 1. 立體角srrA2球面度 對整個半球：srrA222 對微元立體角：srddrd

8、Adsin2 2. 定向輻射強度（輻射強度） 物體單位時間單位可見輻射面積單位立體角 內(nèi)發(fā)出的輻射能量。 )/(cos),(2srmWddAdL 對各向同性物體表面：)(),(LL0)()(dLL 光譜輻射強度 ：)(L 3. 定向輻射力 單位時間單位面積物體表面向某個方向發(fā)射 單位立體角內(nèi)的輻射能, 稱為該物體表面在該 方向上的定向輻射力。E，W/(m2.sr)/(2srmWdAddEcos)(LE 4. 蘭貝特定律 黑體的定向輻射強度與方向無關(guān)，即半球空間各方向上的輻射強度都相等。 即是：ConstLL)( 定向輻射力與定向輻射強度的關(guān)系：cosLE 輻射力與定向輻射強度的關(guān)系：20202

9、cossincosLddLdLE 適用于：黑體漫發(fā)射體 113 實際物體的輻射特性 基爾霍夫定律 11-3-1 實際物體的發(fā)射特性 實際物體的發(fā)射特性和吸收特性。 1. 物體的發(fā)射率（黑度） bEE 實際物體的輻射力：40)100(TCEEb反映了物體發(fā)射輻射能量的能力。說明bbEdE0 因此： 2. 物體的光譜發(fā)射率（光譜黑度） bEE 3. 影響發(fā)射率的因素 物體的種類； 物體的表面溫度； 物體的表面狀況。40)100(TCEEb只取決于物體自身特性實驗測定例如 種類： 常溫下，白色大理石0.95， 鍍鋅鐵皮0.23； 溫度： 氧化的鋁表面50，=0.2， 500，=0.3； 表面狀況：

10、無光澤黃銅0.22，磨光黃銅0.05； 非金屬材料較高0.850.95， 且與表面顏色無關(guān)。 11-3-2 實際物體的吸收特性 1. 物體的吸收率： 物體對投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)。 吸收率取決于兩方面因素：物體的種類，溫度和表面性質(zhì) 2. 物體的光譜吸收率： 物體對某一特定波長的輻射能吸收的百分?jǐn)?shù)。 吸收物體的本身狀況 投入輻射的特性 實際物體的光譜吸收率對波長具有選擇性：白瓷磚9 . 0,52 . 0,2mm玻璃可見光， 紅外線， 很小，近乎透明體；紫外線， 紅外線， ，表現(xiàn)不透明性。m5 . 2m31溫室效應(yīng)白漆和黑漆 物體的顏色對可見光 呈強烈選擇性； 但對紅外線的吸收率均為0.9左右。

11、 11-3-3 基爾霍夫定律 1. 灰體,說明 灰體和黑體一樣，也是一種理想物體； 灰體的 與波長無關(guān)，只取決于本身特性， 與外界投射輻射無關(guān)； 就發(fā)射和吸收的規(guī)律而言，灰體和黑體完全相同， 在數(shù)量上體現(xiàn)了百分比關(guān)系。,大多數(shù)工程材料 可作灰體處理。 2 基爾霍夫定律 1860年，基爾霍夫揭示了物體吸收輻射能的 能力和發(fā)射輻射能的能力之間的關(guān)系。),(),(TT結(jié)論 同一溫度下，吸收輻射能力愈強的物體， 發(fā)射輻射能的能力也愈強。)()(TT 對于灰體： 同一溫度下，黑體的輻射能力最強。不適于太陽輻射的吸收。 114 輻射換熱的計算方法假設(shè) 進行輻射換熱的物體表面之間是 不參與輻射換熱的介質(zhì)或真

12、空； 參與輻射換熱的物體表面為漫射灰體 或黑體表面； 每個物體的溫度，輻射特性及 投入輻射分布均勻。 11-4-1 角系數(shù) 1. 角系數(shù)的定義1212, 1X2121 , 2X 表面1對表面2的角系數(shù)： 表面2對表面1的角系數(shù)：2122112, 121coscos1dAdArAXAA或：2122121 ,221coscos1dAdArAXAA幾何量 2. 角系數(shù)的性質(zhì) 非自見面的角系數(shù)等于0。 角系數(shù)的相對性1 ,222, 11XAXA01 , 1X 角系數(shù)的完整性12, 11 , 1 XX封閉空腔中： 15, 14, 13, 12, 11 , 1XXXXX或：11,njjiX 角系數(shù)的可加性

13、組合面A（1+2）對面A3的輻射角系數(shù)。2,31 ,3)21( ,3XXX分析根據(jù)角系數(shù)的完整性：2,331 ,33)21( ,33XAXAXA即是： 又由角系數(shù)的相對性：3),21()21()21( ,33XAXA因此：3,223, 113),21()21(XAXAXA 3. 角系數(shù)的計算主要方法有： 積分法； 代數(shù)法； 圖解法 兩面封閉系統(tǒng) 有一個面為非自見面： 兩平行大平面： 兩個面都是自見面：解：根據(jù)角系數(shù)的完整性：舉例確定：?,2,21 ,22, 11 , 1XXXX12, 11 , 1 XX又由角系數(shù)的相對性：1 ,222, 11XAXA由：01 , 1X得：12, 1X得：212

14、, 1211 ,2AAXAAX211 ,22,211AAXX舉例確定：?,2,21 ,22, 11 , 1XXXX由：0,02,21 , 1XX解： 得：12, 1X11 ,2X舉例確定：?,2,21 ,22, 11 , 1XXXXA3 三個非凹表面組成封閉系統(tǒng)舉例確定：角系數(shù)解：根據(jù)非自見面的角系數(shù)為0：0,0,03,32,21 ,1XXX1 ,222, 11XAXA1 ,333, 11XAXA2,333,22XAXA13, 12, 11 , 1XXX13,22,21 ,2XXX13,32,31 ,3XXX可求：132113212, 122llllAAAAX12313, 12llllX213

15、23,22llllX 交叉線法確定表面A1，A2的角系數(shù)。分析輔助線解：封閉空腔 abcd 中 :bdacXXXX, 1, 11 , 12, 11封閉空腔 abc ，abd中 :abbcacabXac2, 1abadbdabXbd2, 1因此：abbdacadbcX2)()(2, 1 11-4-2 黑體表面間的輻射換熱 1. 任意位置的兩黑體表面。12, 1121bEXA21 , 2212bEXA兩黑體表面間的凈輻射換熱量：21 , 2212, 1112212, 1bbEXAEXA2, 11212, 1)(XAEEbb或：2, 11212, 11XAEEbb空間輻射熱阻 2. 多個黑體組成的封

16、閉空腔。 表面1對其它表面的輻射換熱：)()()(1, 11213 , 11212, 111, 11bnbnbbbbniiEEXAEEXAEEXA或：niiiTTXA14410, 111)( 第i個黑體表面的輻射換熱量：njjijiiiTTXA1440,)( 11-4-3 漫灰表面間的輻射換熱 1. 有效輻射設(shè)有一漫灰表面A，=。 與表面A 有關(guān)的能量有： 投入輻射 G 吸收輻射G 反射輻射G 自身輻射（輻射力）E =Eb 有效輻射 JGEJ或：GEJb)1 ( 合成輻射（凈輻射熱流）GJq或：GEqb兩式聯(lián)立，消去G，且=。表面輻射熱阻 對黑體表面：01, 1A得：1JEqbAJEb1 2.

17、 兩漫灰表面間的輻射換熱 兩漫灰表面構(gòu)成封閉空腔，且T1T2：分析21 ,2212, 1112212, 1JXAJXA 因此 A1 和 A2 的凈輻射熱量：即是：)(12, 11212, 1aXAJJ 2,11212,11XAEEbb黑體A312, 1121JXA21 ,2212JXA同時)(1111111bAJEb A1 的凈輻射熱量： A2 的凈輻射熱量：)(1222222cAJEb 換熱系統(tǒng)熱平衡時：2, 121將(a),(b),(c)相加，消去J1，J2得：2222, 11111212, 1111AXAAEEbb)(12, 11212, 1aXAJJ A3)(2112, 1bbsEEA

18、) 11(1) 11()(2212, 112112, 1AAXEEAbb或：系統(tǒng)黑度 兩漫灰表面間的輻射換熱網(wǎng)絡(luò)圖 系統(tǒng)黑度：減少散熱保溫瓶的夾層（銀，鋁薄層）強化換熱電氣設(shè)備（黑度大油漆） 兩漫灰表面間輻射換熱的幾種簡化形式： A1面為非自見面：由：01 , 1X12, 1X) 11(1)(22112112, 1AAEEAbb得： 兩個無限大平板間輻射換熱：由：1, 1212, 1AAX111)(212112, 1bbEEA得：) 11(1) 11()(2212, 112112, 1AAXEEAbb 兩表面相差很大（大房間內(nèi)小物體的輻射換熱）)(21112, 1bbEEA得：0, 12112

19、2, 1AAAAX由 3. 多個漫灰表面構(gòu)成的封閉空腔中的輻射換熱 輻射換熱網(wǎng)絡(luò)求解法： 應(yīng)用有效輻射的概念，將輻射換熱系統(tǒng) 模擬成相應(yīng)的電路系統(tǒng)，借助于電學(xué)中克希 荷夫電流定律求解該系統(tǒng)的輻射換熱問題。 三個漫灰表面構(gòu)成的封閉空腔中的輻射換熱 首先繪制輻射網(wǎng)絡(luò)圖： 然后列出各節(jié)點有效輻射的關(guān)系式 （注入每個節(jié)點的熱流之和為零）：01113 , 11132, 111211111XAJJXAJJAJEb節(jié)點J1：01113 , 22232, 112122222XAJJXAJJAJEb節(jié)點J2：01113 , 22323 , 113133333XAJJXAJJAJEb節(jié)點J3： 根據(jù)已知條件，求解未知量。 已知三個表面溫度T1, T2, T3；以及 A1, A2, A3, 1,