熱輻射與輻射換熱

梁秀俊高等傳熱學熱輻射與輻射換熱部分一、一些基本概念二、黑體輻射三、實際物體的輻射與吸收四、輻射換熱的計算梁秀俊高等傳熱學一、一些基本概念可見光的波長范圍：0.38~0.76μm梁秀俊高等傳熱學1、吸收、反射和透射投射輻射周圍物體在單位時間內(nèi)投射到物體單位表面積上的輻射能。用G表示，單位W/m2

。吸收比反射比穿透比梁秀俊高等傳熱學

視物體表面狀況（平整程度）和投入輻射的波長，表面的反射又分為鏡反射和漫反射。

漫反射是把來自任意方向、任意波長的投入輻射以均勻的強度（不是“能量”）反射到半球空間所有方向上去。(a)鏡反射(b)漫反射注：除了經(jīng)特殊處理的金屬表面，大部分工程材料均可視為漫射表面。梁秀俊高等傳熱學2、特殊輻射體

吸收比

=1的物體稱為黑體。

反射比

=1的物體稱為白體（或鏡體）。

透射比

=1的物體稱之為透明體。例如，煤炭的吸收比達到0.96，磨光的金子反射比幾乎等于0.98，而常溫下空氣對熱射線呈現(xiàn)透明的性質(zhì)。梁秀俊高等傳熱學輻射力E：單位時間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間所有方向輻射出去的全部波長的能量總和。W/m2從總體上表征物體發(fā)射輻射能本領(lǐng)的大小。3、輻射能力光譜輻射力:在單位時間內(nèi)物體單位面積上向半球空間所有方向發(fā)射的從到+d波長的輻射能稱為光譜輻射力，用E表示，單位為W/m3。梁秀俊高等傳熱學定向輻射強度:單位可見面積發(fā)射出去的落在空間任意方向的單位立體角中的能量。梁秀俊高等傳熱學二、黑體輻射輻射力不同方向？不同波長？普朗克定律四次方定律蘭貝特定律

吸收比

=1的物體稱為黑體。黑體還應具有什么性質(zhì)？黑體輻射具有什么特性？梁秀俊高等傳熱學二、黑體輻射1、普朗克定律(1900)

維恩Wien位移定律(1893)梁秀俊高等傳熱學【解】應用Wien位移定律T=2000K時max=2.910-3/2000=1.45mT=5800K時max=2.910-3/5800=0.50m常見物體最大輻射力對應的波長在紅外線區(qū)太陽輻射最大輻射力對應的波長在可見光區(qū)【例】試分別計算溫度為2000K和5800K的黑體的最大光譜輻射力所對應的波長。梁秀俊高等傳熱學2、斯忒藩-玻耳茲曼定律

黑體輻射的輻射力與溫度的關(guān)系遵循斯忒藩-波爾茲曼定律：普朗克定律與Stefan-Boltzmann定律的關(guān)系特定波長區(qū)段內(nèi)的黑體輻射力通常把波段區(qū)間的輻射能表示為同溫度下黑體輻射力的百分數(shù)，記作，稱作黑體輻射函數(shù)。梁秀俊高等傳熱學T/(mK)Fb(0-)/%

T/(mK)Fb(0-)/%10001100120013001400150016001700180019002000220024002600280030000.03230.09160.2140.4340.7821.2901.9792.8623.9465.2256.69010.1114.0518.3422.8227.36

650070007500800085009000950010000120001400016000180002000022000240002600077.6680.8383.4685.6487.4789.0790.3291.4394.5196.2997.3898.0898.5698.8999.1299.30梁秀俊高等傳熱學梁秀俊【例】試求溫度為1400K和6000K時的黑體輻射中可見光所占的份額。Fb(λ1-λ2)=Fb(0-λ2)-Fb(0-λ1)=0.07%。同樣的做法可以得出6000K的黑體在可見光范圍所占的份額為Fb(λ1-λ2)=Fb(0-λ2)-Fb(0-λ1)=57.3%-11.3%=46%。【解】：可見光的波長范圍是從0.38μm到0.76μm，對于1400K的黑體其λT值分別為532和1064?？蓮谋?－1查得Fb(0-λ1)和Fb(0-λ2)分別為<<0.1%和0.07%。于是可見光所占份額為高等傳熱學梁秀俊高等傳熱學3、蘭貝特定律黑體輻射的定向輻射強度是個常量，與空間方向無關(guān)。思考：蘭貝特定律是否說明黑體對外輻射的能量在空間各個方向是相等的？黑體單位面積輻射出去的能量在空間的不同方向分布是不均勻的，其定向輻射力隨緯度角呈余弦規(guī)律變化。法向最大，切向最小。Lambert定律也稱為余弦定律。梁秀俊高等傳熱學遵循蘭貝特定律的表面為漫輻射表面，數(shù)值上其輻射力等于定向輻射強度的π倍。梁秀俊高等傳熱學１、Stefan-Boltzmann定律：確定黑體輻射力２、Planck定律：黑體輻射能量按波長分布規(guī)律３、Lambert定律：黑體輻射能量按空間方向的分布規(guī)律。

維恩位移定律：確定黑體的光譜輻射力峰值所對于的最大波長。黑體輻射定律小結(jié)

梁秀俊高等傳熱學三、實際物體的輻射與吸收

對于實際固體和液體的輻射與吸收特性是與黑體相比較而得到的。梁秀俊高等傳熱學

分別把實際固體和液體的輻射力、光譜輻射力和定向輻射強度與同溫度下黑體的數(shù)值相比較，從而得到發(fā)射率ε(黑度)、光譜發(fā)射率（單色黑度）和定向發(fā)射率（定向黑度）的概念。1、實際物體的輻射梁秀俊高等傳熱學1、實際物體的輻射梁秀俊高等傳熱學梁秀俊高等傳熱學幾種非金屬材料的定向發(fā)射率幾種金屬材料的定向發(fā)射率梁秀俊高等傳熱學幾種金屬導體在不同方向上的定向發(fā)射率(t=150℃)從θ＝0℃開始，在一定角度范圍內(nèi)，可認為是常數(shù)，然后隨著角θ的增加而急劇地增大。在接近θ＝90℃的極小角度范圍內(nèi)，又減?。ㄔ跇O小角度內(nèi)，圖中未表示出來）梁秀俊高等傳熱學幾種非金屬在不同方向上的定向發(fā)射率

(t=0～93.3℃)①θ＝0～60℃,ε()基本不變；②θ>60℃，ε()明顯減少；③θ＝90℃，ε()降為0梁秀俊高等傳熱學影響物體發(fā)射率的因素ε＝f（物質(zhì)的種類、表面狀況、表面溫度）只與發(fā)射物體有關(guān)，而不涉及外界條件。①不同種類物質(zhì)的ε：常溫下白大理石ε＝0.95；常溫下鍍鋅鐵皮ε＝0.23②同一物體不同溫度ε：嚴重氧化的鋁表面50℃時ε＝0.2；500℃時ε＝0.3③同一材料，不同表面狀況：a常溫下無光澤黃銅ε＝0.22；磨光后的黃銅ε＝0.05大部分非金屬材料的發(fā)射率一般在0.85～0.95之間；且與表面狀況關(guān)系不大，在缺乏資料時，可近似取為0.9。梁秀俊高等傳熱學材料類別和表面狀況溫度/℃法向發(fā)射率εn具有光滑的氧化層表皮的鋼板200.82鍍鋅鐵皮380.28嚴重氧化的鋁表面500.2嚴重氧化的鋁表面5000.3無光澤黃銅380.22磨光的黃銅380.05紅磚200.88~0.93玻璃400.94各種顏色的油漆400.92~0.96雪-12~00.82人體皮膚320.98部分常見材料表面的法向發(fā)射率梁秀俊高等傳熱學

對應于黑體的輻射力Eb，光譜輻射力Eb和定向輻射強度L，分別引入了三個修正系數(shù)，即發(fā)射率，光譜發(fā)射率()和定向發(fā)射率()，其表達式和物理意義如下實際物體的輻射力與黑體輻射力之比:實際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比：實際物體的定向輻射強度與黑體的定向輻射強度之比：梁秀俊高等傳熱學2、實際物體的吸收比實際物體的光譜吸收比梁秀俊高等傳熱學根據(jù)前面的定義可知，物體的吸收比除與自身表面性質(zhì)的溫度有關(guān)外，還與投入輻射按波長的能量分布有關(guān)。設下標1、2分別代表所研究的物體和產(chǎn)生投入輻射的物體，則物體1的吸收比為梁秀俊高等傳熱學物體表面對黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系材料自身溫度T1為294K梁秀俊高等傳熱學梁秀俊高等傳熱學溫室大棚就是利用了玻璃對輻射能吸收的選擇性梁秀俊高等傳熱學

實際物體的光譜吸收比對投入輻射的波長有選擇性這一情況給輻射換熱的工程計算帶來很多不便。3、灰體

光譜吸收比與波長無關(guān)的理想物體稱為灰體。

在紅外線的輻射范圍內(nèi)大多數(shù)工程材料可以當作灰體處理。引入的意義：不管投入輻射的分布如何，均為常數(shù)，即物體的吸收比只取決于本身的情況而與外界情況無關(guān)。本課程的研究范圍內(nèi)，輻射傳熱計算假設表面為漫灰的。梁秀俊高等傳熱學4、基爾霍夫定律

基爾霍夫定律給出了實際物體輻射能力與吸收能力的關(guān)系。列出處于熱平衡時，實際物體2的能量收支關(guān)系。但是，這個等式是有條件的。梁秀俊高等傳熱學基爾霍夫定律的四種表達形式：無條件成立漫射表面灰體表面漫射灰體表面或與黑體處于熱平衡梁秀俊高等傳熱學關(guān)于基爾霍夫定律和灰體的幾點說明1、根據(jù)基爾霍夫定律，在一定條件下，物體的輻射能力越大，其吸收能力也越大。換句話，善于輻射的物體必善于吸收。2、對于工程問題而言，只要在所研究的波長范圍內(nèi)光譜吸收比基本上與波長無關(guān)，則灰體的假定是成立的。3、當研究物體表面對太陽能的吸收時，一般不能把物體當作灰體處理。例、北方深秋季節(jié)的清晨，樹葉葉面上常常結(jié)霜。試問樹葉上、下面的哪一面結(jié)霜?為什么?答：霜會結(jié)在樹葉的上表面。因為清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。而太空表面的溫度低于攝氏零度，而地球表面溫度一般在零度以上。由于相對樹葉下表面來說，其上表面需要向太空輻射更多的能量，所以樹葉下表面溫度較高，而上表面溫度較低且可能低于零度，因而容易結(jié)霜。梁秀俊高等傳熱學梁秀俊高等傳熱學有效輻射角系數(shù)四、輻射換熱的計算梁秀俊高等傳熱學1、角系數(shù)（1）角系數(shù)的定義角系數(shù)是純幾何因子.我們把從表面1發(fā)出的輻射能中落到表面2上的百分數(shù),稱為表面1對表面2的角系數(shù),記為梁秀俊高等傳熱學（2）角系數(shù)的性質(zhì)

研究如圖示中微元面dA1到另一個微元面dA2的角系數(shù)，根據(jù)定義得：角系數(shù)的相對性梁秀俊高等傳熱學

在幾個表面組成的封閉系統(tǒng)中，任一個表面對封閉腔各個表面的角系數(shù)之和等于1。角系數(shù)的完整性梁秀俊高等傳熱學角系數(shù)的可加性可加性只是對逗號后邊的角碼是可加的梁秀俊高等傳熱學(3)角系數(shù)的計算1)定義法梁秀俊高等傳熱學2)直接積分法梁秀俊高等傳熱學梁秀俊高等傳熱學梁秀俊高等傳熱學3)代數(shù)分析法利用角系數(shù)的相對性、完整性及可加性。12梁秀俊高等傳熱學梁秀俊高等傳熱學2、有效輻射

單位時間離開物體單位面積的總輻射能為有效輻射，記為J。單位W/m2對于黑體梁秀俊高等傳熱學3、輻射熱網(wǎng)絡法的輻射換熱計算(1)輻射網(wǎng)絡的主要熱阻

空間輻射熱阻表面1表面2如果是黑體梁秀俊高等傳熱學

任意物體表面與外界的輻射換熱量（輻射散熱量）與有效輻射J之間的關(guān)系：表面輻射熱阻梁秀俊高等傳熱學(2)網(wǎng)絡法輻射換熱

稱為系統(tǒng)黑度梁秀俊高等傳熱學梁秀俊高等傳熱學三個表面組成的封閉系統(tǒng)畫出等效的網(wǎng)絡圖梁秀俊高等傳熱學列出節(jié)點的熱流方程上面三個表面組成的封閉系統(tǒng)中節(jié)點J1的方程為：梁秀俊高等傳熱學求解由各節(jié)點方程組成的方程組，得到J1、J2等確定每個表面的凈輻射換熱量或任意兩個表面間的輻射換熱量。梁秀俊高等傳熱學黑體表面因此有：梁秀