第十七章輻射換熱大連海事大學

1、第十七章第十七章 輻射換輻射換熱熱第一節(jié)第一節(jié) 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念第二節(jié)第二節(jié) 熱輻射的基本定律熱輻射的基本定律第三節(jié)第三節(jié) 物體間的輻射換熱物體間的輻射換熱第四節(jié)第四節(jié) 太陽輻射太陽輻射第一節(jié)第一節(jié) 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念 一、熱輻射一、熱輻射(thermal radiation)的本質(zhì)的本質(zhì) 物體中的原子內(nèi)部，處于束縛態(tài)的電子從高能態(tài)能級向低能態(tài)能級躍遷時，由于電子躍遷所釋放的能量就以交替變化的電磁波向四周放射出去，這種能量就叫做輻射能。 輻射能是原子內(nèi)部復雜激動的結(jié)果。物體的溫度只要高于絕對零度，它便不可避免地發(fā)射出輻射能，物體的溫度愈高則發(fā)射的輻射能量愈多。 熱

2、輻射是不依賴任何介質(zhì)、用電磁波來傳遞熱能的一種熱傳遞方式，輻射換熱是可以在真空中以光速進行的熱傳遞過程。根據(jù)不同波長范圍的電磁波效應和用途，分為宇宙射線、射線、x射線、紫外線、可見光、紅外線和無線電波等。熱射線的波長主要位于0.4100m的范圍內(nèi)，其中包括可見光（波長0.40.7m）和紅外線（波長0.725m的近紅外線和波長25100m的遠紅外線）。熱射線二、物體的吸收率、反射率和穿透率二、物體的吸收率、反射率和穿透率QA/Q 物體的吸收率吸收率A QR/Q 物體的反射率反射率RQD/Q 物體的穿透率穿透率DQQQQDRA1QQQQQQDRAA+R+D=1A=1的物體稱為黑體黑體(black

3、body)R=1的物體稱為白體白體D=1的物體稱為透明體透明體黑體的一切量，都用下標“0”表示顏色的深淺對可見光的吸收率影響較大。對紅外線來說，吸收率主要取決于物體表面的粗糙度，不管什么顏色，平滑面和磨光面，其反射率都要比粗糙面高好幾倍。三、輻射力和單色輻射力三、輻射力和單色輻射力氣體對于輻射能幾乎不反射，R0，A+D=1。當輻射能投射到固體或液體的表面時，在進入表面很小距離內(nèi)即被吸收完畢， D0，A+R=1。凡是善于吸收的物體（A比較大），就不善于反射（R較?。?，善于反射的物體，則不善于吸收。1、輻射力輻射力：物體每單位表面積在單位時間內(nèi)所放射出去的從=0到=的一切波長的輻射總能量。 2、單

4、色輻射力：單色輻射力：在到d的波長范圍內(nèi)，物體輻射力為dE，dE除以該波長間隔d所得的商。2/mWAQE3/mWddEE第二節(jié)第二節(jié) 熱輻射的基本定律熱輻射的基本定律 一、普朗特定律（一、普朗特定律（Plancks law)3)/(51, 0/12mWeCETC 各種不同溫度下黑體的單色輻射力按波長變化的規(guī)律。二、維恩位移定律二、維恩位移定律(Wiens displacement law)在一定溫度下，對應于最大單色輻射力的波長m，與該黑體熱力學溫度T成反比。KmTm3109 . 2三、斯蒂芬三、斯蒂芬-波爾茲曼定律波爾茲曼定律 (Stefan-Boltzmanns law）射系數(shù)，稱為絕對黑

5、體的輻)/(5.669/1004202400KmWCmWTCEdEEo0,0黑體的輻射力與其本身熱力學溫度的四次方成正比。射常數(shù)，稱為絕對黑體的輻)/(105.67/42802400KmWmWTE四、蘭貝特定律四、蘭貝特定律(Lamberts law)1、立體角立體角(solid angle) ：球面上的給定面積對球心所張的球面角，它的大小用該面積除以球面半徑的平方來計算。單位用符號sr（球面度）表示。2rdadsrrasrra2,21,222、可見面積：、可見面積：沿P方向發(fā)射的輻射能，dA的可見面積就是其在與P垂直方向的投影面積。ndApn方向：可見面積為dAp方向：可見面積為dAcos=

6、90，可見面積為03、定向輻射強度、定向輻射強度(directional radiation intensity)：單位時間內(nèi)與發(fā)射方向垂直的單位可見面積在單位立體角內(nèi)所發(fā)射的輻射能。coscos222rdadAQdddAQdIdadAdadAp)/(2srmW物體表面在半球空間各方向上，如定向輻射強度均相等，即Ip,1=Ip,2=-=In則該物體表面稱為漫輻射漫輻射表面，表面，只有絕對黑體表面才是是漫輻射表面。蘭貝特定律：蘭貝特定律：絕對黑體表面沿半球空間各方向上，定向輻射強度均相等。0IIpcos0, 02IdAdQddadA022cosIrdadAQdIdadAp單位時間內(nèi)，黑體表面積沿

7、半球空間不同方向在單位立體角內(nèi)所發(fā)射的輻射能是不同的。對于黑體黑體微元面積dA向半球空間發(fā)射的輻射能量dQ0,dA黑體輻射力等于其定向輻射強度黑體輻射力等于其定向輻射強度I0的的 倍。倍。dAIdddAIddAIdQdA020200200, 0cossincos0, 00IdAdQEdA 黑體輻射能量按波長分布服從普朗克定律，按空間分布服從蘭貝特定律，輻射力的大小由斯蒂芬波爾茲曼定律確定。維恩位移定律揭示了最大單色輻射力的分布規(guī)律。五、基爾霍夫定律（五、基爾霍夫定律（Kirchhoffs law)物體輻射力與吸收率的聯(lián)系。表面2輻射換熱收支差額：0AEEq熱平衡時T=T0，q=0AEEAEE0

8、0或基爾霍夫定律：基爾霍夫定律：任何物體的輻射力與吸收率的比值恒等于同溫度下的絕對黑體的輻射力，而與物體的性質(zhì)無關。0332211.EAEAEAE對任何物體1、基爾霍夫定律的數(shù)學表達式：、基爾霍夫定律的數(shù)學表達式：A1，所以，在任何溫度下，各種物體中以絕對黑體的輻射力為最大。物體的輻射力越大，它的吸收率也越大。2、黑度、黑度(blackness or emissivity)：實際物體的輻射力E與同溫度下絕對黑體的輻射力E0之比稱為“黑度”。0EE在溫度相等的熱平衡條件下，物體的黑度恒等于它的吸收率，即A黑度表明物體輻射力接近黑體輻射力的程度，是分析和計算輻射換熱的一個重要參數(shù)。同一物體的黑度隨

9、本身的溫度和表面狀態(tài)而不同。單色黑度：單色黑度：物體的單色輻射力E與同溫度下絕對 黑體的單色輻射力E0,之比，即：AEE, 03、灰體（、灰體（gray body)：如在所有波長下，物體的單色輻射力E與同溫度、同波長下絕對黑體的單色輻射力E0,之比為定值，這樣的物體稱為“灰體”。實際物體稱為灰體的單色黑度。定值, 0EE其值與波長無關，且小于1。灰體的性質(zhì)灰體的性質(zhì)：灰體1、灰體的輻射光譜是連續(xù)的，而且曲線與同溫度下絕對黑體的光譜曲線相似。2、灰體的吸收率等于其黑度，與投射無關。大多數(shù)工程材料在熱射線范圍內(nèi)可被視為灰體。斯蒂芬波爾茲曼定律也適用于灰體：24400/100100mWTCTCEE0

10、0ACCC為灰體的輻射系數(shù)任何物體的輻射力恒小于同溫度下黑體的輻射力。第三節(jié)第三節(jié) 物體間的輻射換物體間的輻射換熱熱 一、黑體間的輻射換熱一、黑體間的輻射換熱角系數(shù)角系數(shù)(angle factor) ：表面1發(fā)射的輻射能落在表面2上的百分數(shù)，用X1,2表示， X1,2稱為表面1對表面2的角系數(shù)。X2,1稱為表面2對表面1角系數(shù)。1、2兩表面間的輻射換熱量Q1,2為1 , 222, 02, 111 , 02, 1XAEXAEQ1 , 222, 11XAXA溫度相等的熱平衡條件下：2, 01 , 02, 1, 0EEQ兩表面在輻射換熱時其角系數(shù)具有相對性。同樣適用于不等溫灰體表面間的輻射換熱計算。

11、)(2, 01 , 02, 111 , 222, 02, 111 , 02, 1EEXAXAEXAEQ2, 112 . 01 , 02, 11XAEEQ2, 111XA兩表面輻射換熱的空間熱阻空間熱阻三個黑體表面組成的封閉空腔的輻射換熱：13 , 12, 11 , 1XXX封閉空腔內(nèi)的角系數(shù)具有完整性。若平面1為平面或凸面時X1,10二、灰體間的輻射換熱和有效輻射二、灰體間的輻射換熱和有效輻射投射輻射 ：投射到表面1上的外來輻射。1G吸收輻射 ：被表面1吸收的部分。11G反射輻射 ：被表面1反射的部分。11)1 (G本身輻射 ：表面1的輻射力。 1 , 011EE2111 , 011111/)

12、1 ()1 (mWGEGEJ有效輻射有效輻射 ：表面1的本身輻射和反射輻射的總和。1J表面1與外界的輻射換熱量Q1：2111 , 011111/)1 ()1 (mWGEGEJWAGAJQ11111WAJEQ11111 , 0111111A稱為灰體的“表面熱阻表面熱阻”。黑度越大，則表面熱阻越小。兩灰體間的輻射換熱的計算2222, 111112, 01 , 012111AXAAEEQ2, 1121121XAJJQ三個灰體間的輻射換熱的計算三、三、2個灰體間的輻射換熱個灰體間的輻射換熱12, 11 , 1XX01 , 1X12, 1X2222, 111112, 01 , 012111AXAAEEQ

13、) 11(1) 11()(221121020112, 1AAXEEAQ) 1() 11(1)(2, 1221102011XAAEEAWTTACTTACEEAsss)100()100()100()100()(4241142411002011黑度為輻射換熱過程的系統(tǒng)sCs系統(tǒng)輻射系數(shù)間距較兩相互平行的平壁尺寸小得多的輻射換熱系統(tǒng)：111121s211 , 22, 11AAXX) 11(1)(2211020112, 1AAEEAQ111)(212, 01 , 01EEA)(02011EEAsA2A1時的輻射換熱1s0/1212, 1AAX) 11(1)(2211020112, 1AAEEAQ)(02

14、0111EEA四、遮熱板（四、遮熱板（thermal shield)的應用的應用遮熱板：遮熱板：插入輻射換熱表面之間以削弱輻射換熱的薄板。111)(212, 01 , 012, 1EEAQ111)(313 , 01 , 013 , 1EEAQ111)(232, 03 , 032, 3EEAQ2, 12, 33 , 1321321,QQQAAA111)(21212, 01 , 012, 1EEAQ在兩灰體表面間插入與灰體黑度相等的薄板，其輻射換熱減少一半。遮熱板減少熱輻射的原因?qū)κ苌潴w來說，遮熱板成了發(fā)射體，而T3T1；發(fā)射體與受射物體間的溫度降落，原來是一次的，有了遮熱板就分為多次降落，這樣受

15、射體獲得的熱量就減少了。實際工程中，為了有效削弱輻射換熱，往往采用黑度較低的金屬薄板作為遮熱板。例例1 在黑度為0.8的兩個平行面之間插入一塊黑度為0.05的拋光鋁片。求其輻射換熱量是未插入遮熱板的多少分之一。)(666. 018 . 018 . 01)(2, 01 , 012, 01 , 01EEAEEA解：111)(212, 01 , 012, 1EEAQ)(0494. 0105. 018 . 01)(3 , 01 , 013 , 01 , 013 , 1EEAEEAQ)(0494. 018 . 0105. 01)(2, 03 , 032, 03 , 032, 3EEAEEAQ321312QQQ)(0247. 0)(20494. 02, 01 , 012, 01 , 012, 1EEAEEAQ%71. 3666. 00247. 02, 12, 1QQ例例2 熱空氣在沒有熱絕緣材料包扎的管道內(nèi)流過，管道直徑D100mm（如圖）?，F(xiàn)在用具有直徑d=15mm保護套的熱電偶來測量空氣的溫度，空氣流速w=5m/s, 空氣對保護套的換熱系數(shù)=21.7W/(m