第十七章輻射換熱大連海事大學(xué)

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(jí)向低能態(tài)能級(jí)躍遷時(shí)，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(fù)雜激動(dòng)的結(jié)果。物體的溫度只要高于絕對(duì)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(jìn)行的熱傳遞過程。根據(jù)不同波長范圍的電磁波效應(yīng)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(yuǎn)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(biāo)“0”表示顏色的深淺對(duì)可見光的吸收率影響較大。對(duì)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(duì)于輻射能幾乎不反射，R0，A+D=1。當(dāng)輻射能投射到固體或液體的表面時(shí)，在進(jìn)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(shí)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(duì)應(yīng)于最大單色輻射力的波長m，與該黑體熱力學(xué)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(duì)黑

5、體的輻)/(5.669/1004202400KmWCmWTCEdEEo0,0黑體的輻射力與其本身熱力學(xué)溫度的四次方成正比。射常數(shù)，稱為絕對(duì)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(duì)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(jì)算。單位用符號(hào)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(qiáng)度、定向輻射強(qiáng)度(directional radiation intensity)：單位時(shí)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(qiáng)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(duì)黑體表面才是是漫輻射表面。蘭貝特定律：蘭貝特定律：絕對(duì)黑體表面沿半球空間各方向上，定向輻射強(qiáng)度均相等。0IIpcos0, 02IdAdQddadA022cosIrdadAQdIdadAp單位時(shí)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(duì)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(qiáng)度黑體輻射力等于其定向輻射強(qiáng)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(shí)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(duì)黑體的輻射力，而與物體的性質(zhì)無關(guān)。0332211.EAEAEAE對(duì)任何物體1、基爾霍夫定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式：、基爾霍夫定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式：A1，所以，在任何溫度下，各種物體中以絕對(duì)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(shí)際物體的輻射力E與同溫度下絕對(duì)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(jì)算輻射換熱的一個(gè)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(duì) 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(duì)黑體的單色輻射力E0,之比為定值，這樣的物體稱為“灰體”。實(shí)際物體稱為灰體的單色黑度。定值, 0EE其值與波長無關(guān)，且小于1?；殷w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(duì)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(guān)。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?jǐn)?shù)，用X1,2表示， X1,2稱為表面1對(duì)表面2的角系數(shù)。X2,1稱為表面2對(duì)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(shí)其角系數(shù)具有相對(duì)性。同樣適用于不等溫灰體表面間的輻射換熱計(jì)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(gè)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(shí)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(jì)算2222, 111112, 01 , 012111AXAAEEQ2, 1121121XAJJQ三個(gè)灰體間的輻射換熱的計(jì)算三、三、2個(gè)灰體間的輻射換熱個(gè)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(shí)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(yīng)用的應(yīng)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(shí)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(gè)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）。現(xiàn)在用具有直徑d=15mm保護(hù)套的熱電偶來測量空氣的溫度，空氣流速w=5m/s, 空氣對(duì)保護(hù)套的換熱系數(shù)=21.7W/(m