熱量學(xué)charpter7 輻射換熱

第七章

輻射換熱

RadiationHeatTransfer1§7-1熱輻射的根本概念緒論中我們講過，輻射是熱量傳遞的三種根本方式之一。教科書的安排方法是分別介紹導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射，然后再將它們綜合在一起。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常，生活中有大量的輻射問題。鍋爐爐膛主要是輻射傳熱。除了煙氣溫讀較低的空氣預(yù)熱器以外，其余各受熱面的傳熱計(jì)算都要考慮輻射換熱。如鍋爐運(yùn)行時(shí)的汽溫特性、暖氣、太陽能等。2輻射(Radiation)：以電磁波傳遞能量的過程。熱輻射(ThermalRadiation)：由于熱的原因而發(fā)生的輻射。一、熱輻射及其本質(zhì)熱輻射是電磁波，它就由一般電磁波的共性，即它是一光速在空間傳播的。有以下關(guān)系成立：二、電磁波譜(Electromagneticspectrum)式中：C—速度f—頻率

—波長3Cosmicraysupto410-7mGammarays410-7to1.410-4mX-rays110-5to210-2mUltravioletrays110-2to3.910-4mVisiblelight0.38

to0.76

mInfraredrays0.76to1000

mRadioand1000to21010mHertzianwavesHeatrays

0.1to100m4如以下圖，熱輻射，0.1—100μm；可見光，0.38—0.76μm。地球上大局部物體<2000K0.38-100μm大局部在0.76-20μm太陽5762K的黑體在0.2---2μm0.76---20μm為紅外線區(qū)域近紅外線(Nearinfrared)遠(yuǎn)紅外線(Farinfrared)。5光輻射大家是熟悉的。當(dāng)一束光投在一物體上后，一局部被吸收，一局部被反射，還有一局部穿過物體。熱輻射也有同樣的性質(zhì)。投射輻射(IncidentradiationorIrradiation)為Q,如圖，其中：吸收：Qα反射：Qρ穿透：Qτ由熱力學(xué)第一定律：或：Q三、熱輻射的吸收、穿透和反射6固體、液體：當(dāng)輻射能進(jìn)入其外表后，在極短的距離內(nèi)就被吸收完了。金屬導(dǎo)體，這個(gè)距離只有1微米的量級(jí)。大多數(shù)非導(dǎo)電材料，這個(gè)距離小于1毫米。而是用工程材料都大于這個(gè)數(shù)值，故可以認(rèn)為固體和液體的τ=0，于是：那么：吸收比(率)absorptivity反射比(率)reflectivity穿透比(率)

transmissivity7反射現(xiàn)象也同光一樣，有鏡面反射和漫反射之分，鏡面反射：入射角=反射角，外表粗糙度<波長漫反射：外表粗糙度>波長氣體：當(dāng)輻射投在氣體上，它幾乎沒有反射能力，故可以認(rèn)為ρ=0，于是固體，液體對(duì)輻射的吸收和反射都是在外表上進(jìn)行的，而不涉及其內(nèi)部，故外表的狀況對(duì)輻射的影響是至關(guān)重要的。玻璃？氣體的輻射和吸收都是在內(nèi)部進(jìn)行的，外表形狀那么無關(guān)緊要。89黑體不是黑色物體黑體，鏡體和透明體并不存在。人工可以制造十分接近黑體(內(nèi)外表6%的小孔，α≈0.996)的模型。黑體如同不可壓流體、可逆循環(huán)等一樣，是一種理想化的研究方法。黑體(perfectblackbody)四、理想輻射模型理想的反射體〔perfectreflector)鏡體(specular)白體(diffuseperfectreflector)透明體(transparentmedia)10§7-2黑體輻射根本定律(BlackBodyRadiation)1.輻射力(EmissivePower)：單位時(shí)間內(nèi)物體的單位外表積向半球空間所有方向發(fā)射出去的全部波長的輻射能量(W/m2)。一、根本概念半球空間：dA輻射是向著它的上方各個(gè)方向的。如在上方做個(gè)半球，那么dA發(fā)出的輻射能全部要通過這個(gè)半球空間，所以我們稱dA以上的空間為半球空間。112.

光譜輻射力(MonochromaticEmissivePowerorSpectralEmissivePower)：單位面積輻射體在單位時(shí)間內(nèi)向半球空間發(fā)射的波長為λ(+dλ區(qū)間)的能量。為曲線下的總面積。如圖12二：黑體輻射的根本定律(BasicLawforBlackBodyRadiation)黑體輻射的理論是建立在如下幾個(gè)根本定律根底上的，即：普朗克(Plank)定律(1900)維恩位移(Wien‘sdisplacement)定律；(1893熱力學(xué)理論得出〕斯忒藩-波爾茲曼(Stefan-Boltzman)定律〔1879實(shí)驗(yàn)，1884熱力學(xué)理論〕蘭貝特(Lambert)定律。13

1.Plank’sLaw(1900)：黑體得輻射實(shí)驗(yàn)前人得工作紫外災(zāi)變

Plank’sLawEbλ--光譜輻射力,W/m3；λ--波長,m；

T--黑體熱力學(xué)溫度,K；e--自然對(duì)數(shù)的底；c1---第一輻射常量,3.742×10-16W·m2；c2---第二輻射常量,1.438×10-2m·K。Planck認(rèn)為黑體以hv為能量單位，不斷發(fā)射和吸收頻率為v的輻射，hv稱為能量子14由Planck定律知Eλ=f(λ,T)如圖，

Eλ有最大值隨著T

增大

max向左移動(dòng)2.Wien’sdisplacementLaw1893熱力學(xué)理論得出由Plank’sLaw對(duì)

求導(dǎo)，并令15如不是黑體，那么不完全遵守這個(gè)定律，但其變化方向是相同的，例如金屬〔鋼錠〕：當(dāng)T<500oC時(shí)，沒有可見光，顏色不變；T增大，其顏色分別為暗紅、鮮紅、桔黃和白色。例題7-1試分別計(jì)算溫度為2000K和5800K的黑體的最大單色輻射力所對(duì)應(yīng)的波長。解：應(yīng)用Wien位移定律T=2000K時(shí)

max=2.910-3/2000=1.45mT=5800K時(shí)

max=2.910-3/5800=0.50m常見物體最大輻射力對(duì)應(yīng)的波長在紅外線區(qū)太陽輻射最大輻射力對(duì)應(yīng)的波長在可見光區(qū)16

3.Stefan-BoltzmanLaw1879年Stefan實(shí)驗(yàn)，1884年Boltzman熱力學(xué)理論將Plank’sLaw積分即得：式中：

為黑體輻射常數(shù)，其值為5.6710-8W/(m2·K4)。為計(jì)算高溫輻射的方便，可改寫為：式中，C0為黑體輻射系數(shù)，5.67W/(m2·K4)。17

在實(shí)際中，有時(shí)需求出某一特定波長的輻射能量。由Planck定律,黑體在波長至去段所發(fā)射出的輻射能為：

即右圖中的在

1和

2之間的線下面積。通常用同溫度下的百分?jǐn)?shù)表示，18f(T)稱為黑體輻射函數(shù)(RadiationFunctionorFractionalfunction)其數(shù)值見教材第277頁表6-1能量份額后，在給定的波段區(qū)間，單位時(shí)間內(nèi)黑體單位面積所輻射的能量可方便地由下式算出：式中，F(xiàn)b〔0-1〕、Fb〔0-2〕分別為波長從0至1和0至2的黑體輻射占同溫度下黑體輻射力的百分?jǐn)?shù)。能量份額Fb〔0-〕可以表示為單一變量T的函數(shù)，即19例題7-3試分別計(jì)算溫度為1000K、1400K、3000K、6000K時(shí)可見光和紅外輻射在黑體總輻射中所占的份額。輻射與顏色的關(guān)系：夏天穿白色衣服涼快，因?yàn)槲覀兾盏氖翘栞椛?0.2-2m)可見光占比例很大。地球上物體的輻射不同，因溫度低〔2000K〕以下，多與顏色無關(guān)20平面角如圖7-6，s為弧長，r為半徑。=s/r〔rad〕立體角如圖7-7，一個(gè)半球，在球面上取一個(gè)小面積，在這個(gè)面積周邊向球心做射線，那么這些射線所包圍的空間即為立體角。立體角的度量用球面度。θrs平面角定義圖4.Lambert’sLaw兩個(gè)概念：(1)立體角(Solidangle)21為清楚起見，將這個(gè)立體角放大，即：半圓：半球：如圖，在半球上割下一塊微元面積dAc，那么dAc對(duì)應(yīng)的立體角為微元立體角Steradian22(2)定向輻射強(qiáng)度(Intensityofradiation)目的：輻射能按方向分布比較根底：相同的立體角相同的可見外表積定向輻射強(qiáng)度(Intensityofradiation)：單位時(shí)間、單位可見輻射外表、單位立體角內(nèi)的輻射能。為可見輻射面積。其中：23可見輻射面積的重要性24

黑體的定向輻射強(qiáng)度與方向無關(guān)。

即(3).Lambert’sLaw問題：暖器取暖時(shí)與方向有關(guān)，太陽輻射與方向有關(guān)，是否與Lambert’sLaw相矛盾？將定向輻射強(qiáng)度定義變形，得輻射能人與暖器得距離不變