輻射傳熱資料電子教案

1、輻射傳熱資料熱射線熱射線 能被物體吸收轉(zhuǎn)變成熱能的電磁波波長范圍為能被物體吸收轉(zhuǎn)變成熱能的電磁波波長范圍為0.420m，而其中可見光線的波長范圍約為而其中可見光線的波長范圍約為0.40.8m ，紅外光線的，紅外光線的波長范圍為波長范圍為0.820m。 可見光線和紅外光線統(tǒng)稱熱射線。紅外光線的熱射線可見光線和紅外光線統(tǒng)稱熱射線。紅外光線的熱射線對熱輻射起決定作用。對熱輻射起決定作用。 3 3 黑體、鏡體、透過體和灰體黑體、鏡體、透過體和灰體 如圖如圖 4-1所示，假設(shè)投射在某一物體上的總輻射能所示，假設(shè)投射在某一物體上的總輻射能量為量為Q，則其中有一部分能量，則其中有一部分能量QA被吸收，一部分

2、能量被吸收，一部分能量QR被反射，余下的能量被反射，余下的能量QD透過物體。物體上的總輻射透過物體。物體上的總輻射能應(yīng)為吸收、反射與透過能量之和，即：能應(yīng)為吸收、反射與透過能量之和，即：圖圖4-1 輻射能的吸收、反射和透過輻射能的吸收、反射和透過11ARDARDQQQQQQQQQQARDQQRQAQD 黑體黑體 能全部吸收輻射能，即吸收率能全部吸收輻射能，即吸收率A=1的物體，稱的物體，稱為黑體或絕對黑體。為黑體或絕對黑體。 鏡體鏡體 能全部反射輻射能，即反射率能全部反射輻射能，即反射率R=1的物體，的物體，稱為鏡體或絕對白體。稱為鏡體或絕對白體。 透熱體透熱體 能透過全部輻射能，即透過率能透

3、過全部輻射能，即透過率D=1的物體，的物體，稱為透熱體。稱為透熱體。 一般單原子氣體和對稱的雙原子氣體均可視為透熱一般單原子氣體和對稱的雙原子氣體均可視為透熱體。（體。（溫室氣體？溫室氣體？） 一般來說，固體和液體都是不透熱體，即一般來說，固體和液體都是不透熱體，即D0，故故AR=1；氣體反射率；氣體反射率R=0，A+D=1。 灰體灰體 以相同的吸收率以相同的吸收率部分地吸收部分地吸收由零到所有由零到所有波長范圍的輻射能的物體定義為灰體?；殷w也是理想波長范圍的輻射能的物體定義為灰體?；殷w也是理想物體。物體。 灰體的特點：灰體的特點： （1）灰體的吸收率）灰體的吸收率A不隨輻射線的波長而變。不隨

4、輻射線的波長而變。 （2）灰體是不透熱體，即）灰體是不透熱體，即AR1。 大多數(shù)的工程材料都可視為灰體，大多數(shù)的工程材料都可視為灰體， 可簡化輻射傳可簡化輻射傳熱的計算熱的計算 。 輻射能力：物體在一定的溫度下，單位表面積、單輻射能力：物體在一定的溫度下，單位表面積、單位時間內(nèi)所發(fā)射的全部波長的總能量，用位時間內(nèi)所發(fā)射的全部波長的總能量，用E表示，其單位表示，其單位為為W/ m2。 在相同的條件下，物體發(fā)射特定波長的能力，稱為在相同的條件下，物體發(fā)射特定波長的能力，稱為單色輻射能力，用單色輻射能力，用E表示。表示。 若在若在至至（ ）的波長范圍內(nèi)的輻射能力為的波長范圍內(nèi)的輻射能力為E，則則 輻

5、射能按波長分布的定律輻射能按波長分布的定律普朗克定律普朗克定律 根據(jù)量子理論推導(dǎo)出黑體的單色輻射能力根據(jù)量子理論推導(dǎo)出黑體的單色輻射能力Eb隨波隨波長和溫度變化的函數(shù)關(guān)系長和溫度變化的函數(shù)關(guān)系 稱為普郎克定律，揭示黑體的輻射能力按照波稱為普郎克定律，揭示黑體的輻射能力按照波長的分配規(guī)律。長的分配規(guī)律。KmcmWcecETcb222161/51104387. 11043.7312常數(shù)，其值為常數(shù)，其值為 討論：討論：1.在一定在一定T下，下，E b變化關(guān)系有極值存在變化關(guān)系有極值存在, 令令 則則 這稱這稱“維恩維恩”定律定律，說明輻射強度的最高值隨，說明輻射強度的最高值隨T增高而增高而向向降低

6、方向移動。降低方向移動。 2.在一般技術(shù)范圍內(nèi)在一般技術(shù)范圍內(nèi)(T 1400K)輻射能主要分布在輻射能主要分布在0.810m的紅外光波段內(nèi)，分布在可見光波段的紅外光波段內(nèi)，分布在可見光波段0.40.8m的能量很小。在很高的的能量很小。在很高的T下，能量主要分布在短波區(qū)。下，能量主要分布在短波區(qū)。 3.普朗克定律是黑體輻射定律，實際物體的單色輻射普朗克定律是黑體輻射定律，實際物體的單色輻射力與力與及及T的關(guān)系只能用實驗測定。的關(guān)系只能用實驗測定。0/bEKmmT97.82 黑體輻射能力按波長的分布規(guī)律曲線如圖黑體輻射能力按波長的分布規(guī)律曲線如圖4-35所示。所示。2 2 四次方定律四次方定律斯蒂

7、芬斯蒂芬波爾茨曼定律波爾茨曼定律 黑體在某一溫度下的輻射能力，即每一等溫線下到黑體在某一溫度下的輻射能力，即每一等溫線下到橫軸間的面積，即橫軸間的面積，即 積分得積分得0/5112decETcb 不同的物體輻射系數(shù)不同的物體輻射系數(shù)C值不相同，其值與物體的性質(zhì)、值不相同，其值與物體的性質(zhì)、表面狀況和溫度等有關(guān)。表面狀況和溫度等有關(guān)。C值恒小于值恒小于 C0，在，在 0 5.67范圍范圍內(nèi)變化。內(nèi)變化。 上式即為斯蒂芬上式即為斯蒂芬-波爾茨曼定律，通常稱為波爾茨曼定律，通常稱為四次方定律四次方定律。斯蒂芬斯蒂芬-波爾茨曼定律揭示黑體的輻射能力與其表面溫度的波爾茨曼定律揭示黑體的輻射能力與其表面溫

8、度的關(guān)系，關(guān)系，表明黑體的輻射能力僅與熱力學(xué)溫度的四次方成正比表明黑體的輻射能力僅與熱力學(xué)溫度的四次方成正比。 四次方定律也可推廣到灰體，可表示為四次方定律也可推廣到灰體，可表示為物體的黑度物體的黑度 通常將灰體的輻射能力與同溫度下黑通常將灰體的輻射能力與同溫度下黑體輻射能力之比定義為物體的黑度（又稱發(fā)射率）用體輻射能力之比定義為物體的黑度（又稱發(fā)射率）用表示，即表示，即由物體的黑度可求得該物體的輻射能力。由物體的黑度可求得該物體的輻射能力。3 3 克?；舴蚩讼；舴?定律定律 克?；舴蚨山沂玖宋矬w的克?；舴蚨山沂玖宋矬w的輻射能輻射能力力E與吸收率與吸收率A之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 二塊相距

9、很近的平行平板的輻射傳二塊相距很近的平行平板的輻射傳熱，熱， 如圖如圖4-36所示。所示。 對板對板1來說，輻射傳熱的結(jié)果為來說，輻射傳熱的結(jié)果為灰體黑體T1T2T1T2 當(dāng)兩板達到熱平衡，即當(dāng)兩板達到熱平衡，即 T1=T2時，時，q=0 上式為克?；舴蚨傻臄?shù)學(xué)表達式。該式表明上式為克?；舴蚨傻臄?shù)學(xué)表達式。該式表明任何物體的輻射能力和吸收率的比值恒等于同溫度任何物體的輻射能力和吸收率的比值恒等于同溫度下黑體的輻射能力，也僅與物體的絕對溫度有關(guān)。下黑體的輻射能力，也僅與物體的絕對溫度有關(guān)。因板因板1可以用任何板來代替，可以用任何板來代替， 上式可寫為上式可寫為 在同一溫度下，物體的吸收率和黑

10、度在數(shù)值上在同一溫度下，物體的吸收率和黑度在數(shù)值上是相同的是相同的。但是。但是 兩者的物理意義則完全不同。前者兩者的物理意義則完全不同。前者為吸收率，表示由其它物體發(fā)射來的輻射能可被該物為吸收率，表示由其它物體發(fā)射來的輻射能可被該物體吸收的分數(shù)；后者為發(fā)射率，表示物體的輻射能力體吸收的分數(shù)；后者為發(fā)射率，表示物體的輻射能力占黑體輻射能力的分數(shù)。占黑體輻射能力的分數(shù)。 得得nbnnEEA 兩個面積很大（相對于兩者距兩個面積很大（相對于兩者距離而言）且相互平行的灰體平板間離而言）且相互平行的灰體平板間相互輻射如圖相互輻射如圖4-37所示。所示。 兩平行平板間單位時間內(nèi)、單兩平行平板間單位時間內(nèi)、單

11、位表面積上凈的輻射傳熱量為兩板位表面積上凈的輻射傳熱量為兩板間輻射的總能量之差，即間輻射的總能量之差，即代入得代入得以以 若平行的平板面積均為若平行的平板面積均為S時，則輻射傳熱速率為時，則輻射傳熱速率為 實際應(yīng)用中需引入幾何因素（角系數(shù)）修正輻實際應(yīng)用中需引入幾何因素（角系數(shù)）修正輻射傳熱速率：射傳熱速率： 注意：注意： 1. 輻射公式可用于任何形輻射公式可用于任何形狀的表面之間的相互輻射，但狀的表面之間的相互輻射，但對一物體被另一物體包圍下的對一物體被另一物體包圍下的輻射，則要求被包圍物體的表輻射，則要求被包圍物體的表面應(yīng)為平表面或凸表面，如圖面應(yīng)為平表面或凸表面，如圖4-38中所示。中所

12、示。 2.角系數(shù)表示從輻射面積角系數(shù)表示從輻射面積S所發(fā)射出的能量為另一物體表所發(fā)射出的能量為另一物體表面所獲截的分數(shù)，面所獲截的分數(shù)， 必須和選定必須和選定的輻射面積的輻射面積S相對應(yīng)相對應(yīng) 。 已知鑄鐵的黑度為已知鑄鐵的黑度為0.78，鋁的黑度為，鋁的黑度為0.11【例】車間內(nèi)有一高和寬各為3m的鑄鐵爐門（黑度為0.78），其表面溫度為227，室內(nèi)溫度為27。（為了減少熱損失，在爐門前50mm處放置一塊尺寸和爐門相同而黑度為0.11的鋁板作為熱屏，試求放置鋁板前、后因輻射而損失的熱量。解：解：（1 1）放置鋁板前的熱輻射損失放置鋁板前的熱輻射損失本題屬于很大物體本題屬于很大物體2 2包住物

13、體包住物體1 1的情況，因此，的情況，因此，S=33=9m2 ， =1 C1-2=C01=5.670.78=4.423W/（m2.K4）因此，因此，Q1-2=4.42319 (227+273)/1004-(27+273)/1004(2)(2)放置鋁板后因輻射損失的熱量放置鋁板后因輻射損失的熱量 以下標(biāo)以下標(biāo)1，2，i分別表示爐門、房間和鋁板，假設(shè)平分別表示爐門、房間和鋁板，假設(shè)平衡狀態(tài)下鋁板的溫度為衡狀態(tài)下鋁板的溫度為TiK，則鋁板向房間輻射的熱量為則鋁板向房間輻射的熱量為Qi-2=Ci-2S(Ti/100)4- (T2/100)4 式中，式中，S=9m2，=1 Ci-2=C0i=5.670.

14、11=0.624 W/（m2.K4） 故故 Qi-2=0.6249 (Ti/100)4-81 爐門對鋁板的輻射傳熱視為兩個無限大平板之間的爐門對鋁板的輻射傳熱視為兩個無限大平板之間的傳熱，放置鋁板后爐門的熱損失為：傳熱，放置鋁板后爐門的熱損失為： Q1-i=C1-iS(T1/100)4- (Ti/100)4 式中，式中，S=9m2，=1 C1-i=C0/(1/1+1/i-1) =0.605W/（m2.K4） 所以，所以，Q1-i=0.6059 625-(Ti/100)4 當(dāng)傳熱達到穩(wěn)定時，當(dāng)傳熱達到穩(wěn)定時，Q1-i=Qi-2 解得解得 Ti=432K 故故 Q1-i=0.6059 625-(T

15、i/100)4=1510W 放置鋁板后，放置鋁板后， 熱損失減少熱損失減少(Q1-2-Q1-i)/Q1-2=93% 設(shè)置隔熱擋板是減少熱輻射損失的主要手段之一。設(shè)置隔熱擋板是減少熱輻射損失的主要手段之一。 在計算某些溫度較高的工業(yè)管道和設(shè)備的熱損在計算某些溫度較高的工業(yè)管道和設(shè)備的熱損失問題中，需要考慮對流與輻射的聯(lián)合作用。盡管失問題中，需要考慮對流與輻射的聯(lián)合作用。盡管二者遵循不同的規(guī)律，但在二者共存的場合，常常二者遵循不同的規(guī)律，但在二者共存的場合，常常將后者也用統(tǒng)一的牛頓冷卻定律表示。將后者也用統(tǒng)一的牛頓冷卻定律表示。設(shè)備的熱損失計算基礎(chǔ)：設(shè)備的熱損失計算基礎(chǔ)：輻射傳熱速率方程輻射傳熱速率方程對流傳熱速率方程對流傳熱速率方程 有保溫層的設(shè)備外壁與周圍環(huán)境的聯(lián)合傳熱系數(shù)有保溫層的設(shè)備外壁與周圍環(huán)境的聯(lián)合傳熱系數(shù) ，可用下列各式進行估算：可用下列各式進行估算：1.空氣自然對流時空氣自然對流時 在