第10章輻射換熱

1、第10章 輻射換熱 一、熱輻射的概念 二、熱輻射的特點(diǎn) 三、輻射換熱 四、熱輻射的性質(zhì)一、熱輻射的概念 二、熱輻射的特點(diǎn)（1）熱輻射熱輻射不需要冷、熱物體直接接觸，也不需要中間介質(zhì)來傳遞熱量，不需要冷、熱物體直接接觸，也不需要中間介質(zhì)來傳遞熱量，可以在可以在真空中進(jìn)行真空中進(jìn)行熱量傳播。熱量傳播。（2）熱輻射過程不僅有能量的傳遞，而且還伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)換。）熱輻射過程不僅有能量的傳遞，而且還伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)換。 物體輻射物體輻射 熱熱 能能 輻射能輻射能 物體吸熱物體吸熱 （3）任何物體的溫度只要高于）任何物體的溫度只要高于0K，都可以不停地向外發(fā)射電磁波。溫度愈高，都可以不停地向外發(fā)射電

2、磁波。溫度愈高, 熱熱輻射的能力愈強(qiáng)。輻射的能力愈強(qiáng)。具有強(qiáng)烈的方向性；具有強(qiáng)烈的方向性； 輻射能與溫度和波長均有關(guān)。輻射能與溫度和波長均有關(guān)。（4）輻射換熱是物體之間相互輻射和吸收的總效果。）輻射換熱是物體之間相互輻射和吸收的總效果。 1、輻射換熱：物體間靠熱輻射進(jìn)行的熱量傳遞，它與單純的熱輻射不同，就像對流和對流換熱一樣。 2、輻射換熱的特點(diǎn) A、不需要冷熱物體的直接接觸；即：不需要介質(zhì)的存在，在真空中就可以傳遞能量。 B、在輻射換熱過程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換。 C、無論溫度高低，物體都在不停地相互發(fā)射電磁波能、相互輻射能量；高溫物體輻射給低溫物體的能量大于低溫物體輻射給高溫物體的能量；總

3、的結(jié)果是熱由高溫傳到低溫。1 1、當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時，一般會發(fā)生三、當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時，一般會發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透 。11QQQQQQQQQQ 1，即，即 0，物體能，物體能吸收全部吸收全部的輻射能。的輻射能。 2 2、黑體、白體和透熱體、黑體、白體和透熱體 1，即，即 0，投射到物體上的輻射能被，投射到物體上的輻射能被全部反射全部反射。 材料的性質(zhì)及其表面粗糙度對吸收率有重大影響。一般來講，物體材料的性質(zhì)及其表面粗糙度對吸收率有重大影響。一般來講，物體的表面越粗糙，吸收率就越大。的表面越粗糙，吸收率就越大。 黑體：黑體：能吸收投入到其表面

4、上的所有熱輻射的物體，包括所有能吸收投入到其表面上的所有熱輻射的物體，包括所有方向和所有波長，因此，相同溫度下，黑體的吸收能力最強(qiáng)。方向和所有波長，因此，相同溫度下，黑體的吸收能力最強(qiáng)。 白體白體(鏡體鏡體) 如磨光的金屬表面如磨光的金屬表面凡屬黑體的一切量均凡屬黑體的一切量均加下角標(biāo)加下角標(biāo)b b 均為假定的理想物體均為假定的理想物體 如電影院內(nèi)壁如電影院內(nèi)壁 透熱體透熱體 1，即，即 0，投射到物體上的輻射能被，投射到物體上的輻射能被全部透過全部透過。 如絕對干燥空氣如絕對干燥空氣一般來講，一般來講，固體和液體都是不透熱體固體和液體都是不透熱體。氣體反射率為氣體反射率為0。4.灰體灰體1，

5、且吸收率不隨波長而改變（，且吸收率不隨波長而改變（為常數(shù)為常數(shù)）的物體。）的物體。 絕大多數(shù)的工程材料在熱輻射范圍內(nèi)均可近似為絕大多數(shù)的工程材料在熱輻射范圍內(nèi)均可近似為灰體灰體處理。處理。 工程中為簡化輻射換熱計算而引入工程中為簡化輻射換熱計算而引入 對于大多數(shù)的固體和液體：對于大多數(shù)的固體和液體：對于不含顆粒的氣體：對于不含顆粒的氣體：對于黑體：對于黑體： 鏡體或白體：鏡體或白體：透明體：透明體：1111,01,0一、斯蒂芬一、斯蒂芬玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律輻射力：單位時間內(nèi)單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射的全波長輻射能的輻射力：單位時間內(nèi)單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射的全波長輻射能的總和

6、。單位為總和。單位為W/W/ 黑體輻射力黑體輻射力E Eb b與黑體熱力學(xué)溫度的四次方成正比與黑體熱力學(xué)溫度的四次方成正比，又稱為，又稱為四次方定律四次方定律，即，即 或或 揭示了黑體的輻射能力與其溫度揭示了黑體的輻射能力與其溫度之間的關(guān)系之間的關(guān)系 b :黑體輻射常數(shù)，黑體輻射常數(shù)， 其值為其值為5.67 10-8 W/(m2 K4)；T : 黑體表面的熱力學(xué)溫度，黑體表面的熱力學(xué)溫度，K。Cb :黑體輻射系數(shù)，黑體輻射系數(shù)， 其值為其值為5.67W/(m2 K4)。 42(/)bbETWm42bb(/)100TECW m一、斯蒂芬一、斯蒂芬玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律單色輻射力物體在某一溫度下

7、，單位時間內(nèi)單位表物體在某一溫度下，單位時間內(nèi)單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射的某一波長的輻射能稱為面積向半球空間所有方向發(fā)射的某一波長的輻射能稱為單色輻射力。（光譜輻射力）單色輻射力。（光譜輻射力） E E。E、E關(guān)系:顯然，顯然， E E和和EE之間具有如下關(guān)系：之間具有如下關(guān)系：dEE0 例例14-1試計算一黑體表面溫度分別為試計算一黑體表面溫度分別為25及及500時時輻射力的變化。輻射力的變化。 二、黑度二、黑度 實際物體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之比稱為實際物體的黑度（也稱為物體的發(fā)射率），用表示。即 工程上最重要的是確定實際物體（灰體）的輻射力 黑度的物理意義： 恒小于恒小于1

8、。 物體的黑度是物體本身的一種性質(zhì)。物體的黑度是物體本身的一種性質(zhì)。bEE 它表明物體的輻射能力接近于黑體的程度。 表面粗糙的物體或氧化金屬表面具有較大的黑度。表面粗糙的物體或氧化金屬表面具有較大的黑度。 常用工程材料的黑度由實驗確定，可在常用工程材料的黑度由實驗確定，可在附錄附錄和和有關(guān)手冊有關(guān)手冊中查出。中查出。 根據(jù)黑度得到根據(jù)黑度得到實際物體輻射力實際物體輻射力的計算公式的計算公式 絕大部分非金屬材料的黑度在絕大部分非金屬材料的黑度在0.850.850.950.95之間，且之間，且 與表面狀況的關(guān)系不大。可近似取作與表面狀況的關(guān)系不大?？山迫∽?.90.9。 磨光的金屬表面黑度較小。

9、磨光的金屬表面黑度較小。 白體和透熱體其黑度小到為零。白體和透熱體其黑度小到為零。42bb(/)100TEECW m 一、角系數(shù)一、角系數(shù) 物體間的物體間的輻射換熱量輻射換熱量除與物體的除與物體的表面溫度表面溫度和和黑度黑度有關(guān)有關(guān)外，還與物體外，還與物體換熱表面的幾何形狀換熱表面的幾何形狀、大小大小及及相對位置相對位置有關(guān)。有關(guān)。 （a）板）板1輻射到板輻射到板2的能量最多的能量最多;（c）板）板1對板對板2的輻射能量為零的輻射能量為零;（b）則介于兩種之間。）則介于兩種之間。 兩固體表面之間的輻射換兩固體表面之間的輻射換熱量與兩表面間的相對位熱量與兩表面間的相對位置有很大關(guān)系置有很大關(guān)系

10、由輻射面直接落到接收面上的能量與輻射面發(fā)出的由輻射面直接落到接收面上的能量與輻射面發(fā)出的全部能量之比全部能量之比稱為稱為角系數(shù)角系數(shù)X。 角系數(shù)角系數(shù) 1 :輻射面輻射面1發(fā)射出的能量，發(fā)射出的能量，W； 2 :輻射面輻射面2發(fā)射出的能量，發(fā)射出的能量，W； 12 :輻射面輻射面1發(fā)出的能量落到接收面發(fā)出的能量落到接收面2上的能量；上的能量； 21 :輻射面輻射面2發(fā)出的能量落到接收面發(fā)出的能量落到接收面1上的能量。上的能量。角系數(shù)的值永遠(yuǎn)小于角系數(shù)的值永遠(yuǎn)小于1。 1212, 1X2121 , 2X表表14-1 幾種特殊情況的幾種特殊情況的X值與值與C1,2的計算式的計算式 一旦兩固體表面的

11、表面積和相對位置確定了，它們的一旦兩固體表面的表面積和相對位置確定了，它們的角系數(shù)數(shù)值也就確定了角系數(shù)數(shù)值也就確定了。 此處的此處的X值可由值可由圖圖14-6查得。查得。54321序號序號1A1或或A2兩個極大的平行面兩個極大的平行面1A1在在3、4兩種情況之間兩種情況之間1A1物體物體2恰好包住物體恰好包住物體1，A1A2 1Cb 1A1很大的物體很大的物體2包住小物體包住小物體1 1 2Cb 1A1面積有限的兩相等平行面面積有限的兩相等平行面總輻射系數(shù)總輻射系數(shù)C1,2 角系數(shù)角系數(shù)X面積面積A輻輻 射射 情情 況況11121bC11121bC1112211bAAC = 圖圖14-6 平行

12、面間直接輻射熱交換的角系數(shù)平行面間直接輻射熱交換的角系數(shù) = 1圓盤形；圓盤形；2正方形；正方形；3長方形（邊之比為長方形（邊之比為2:1）；）；4長方形（狹長）長方形（狹長）hLhd輻射面間的距離長）或直徑邊長（長方形用短的邊二、兩固體間的輻射換熱二、兩固體間的輻射換熱 工程上常見的兩固體工程上常見的兩固體( (灰體灰體1 1、2 2 ) )相互輻射傳熱的過程，是兩者之間輻射能的相互輻射傳熱的過程，是兩者之間輻射能的反復(fù)發(fā)射和反射反復(fù)發(fā)射和反射過程過程 。兩固體間輻射換熱的總結(jié)果為。兩固體間輻射換熱的總結(jié)果為溫度較高的物體傳遞給溫度溫度較高的物體傳遞給溫度較低物體的凈熱量較低物體的凈熱量。兩

13、固體表面間的兩固體表面間的凈輻射換熱量凈輻射換熱量可按下式計算可按下式計算 42412, 12, 1100100TTXAC式中式中 A A輻射換熱的計算基準(zhǔn)面積，輻射換熱的計算基準(zhǔn)面積，m m2 2；當(dāng)兩固體的輻；當(dāng)兩固體的輻射面積不相等時，取輻射面積較小的一個（見射面積不相等時，取輻射面積較小的一個（見表表14-114-1中中A A1 1) ) 。C C1 1，2 2總輻射系數(shù)總輻射系數(shù) 例例)(4241,TTdqrl)/(7 .274)27323()27348(9 . 01067. 5583. 014. 3448mW)(,fwclttdhthdq)/(5 .156)2348(42. 358

14、3. 014. 3mW 在工業(yè)上常遇到的在工業(yè)上常遇到的高溫高溫范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，分子結(jié)構(gòu)對稱的雙原分子結(jié)構(gòu)對稱的雙原子氣體子氣體可視為可視為透熱體透熱體，如：，如：O2、N2、H2等；等； 分子結(jié)構(gòu)不對稱的雙原子氣體分子結(jié)構(gòu)不對稱的雙原子氣體及及多原子氣體多原子氣體都都具有相具有相當(dāng)大的輻射能力和吸收能力當(dāng)大的輻射能力和吸收能力 ，如：，如：CO、CO2、H2O、CH4。前面在討論固體表面間的輻射換前面在討論固體表面間的輻射換熱時，由于表面溫度不高，不考熱時，由于表面溫度不高，不考慮固體表面間的介質(zhì)慮固體表面間的介質(zhì)(認(rèn)為是透認(rèn)為是透熱體熱體)對輻射換熱的影響對輻射換熱的影響 工程上，工程上，

15、煙氣煙氣（或（或燃?xì)馊細(xì)猓┲械模┲械亩趸级趸己秃退魵馑魵馐侵魇侵饕木哂休椛淠芰Φ臍怏w，其輻射和吸收特性對煙氣的影要的具有輻射能力的氣體，其輻射和吸收特性對煙氣的影響很大。響很大。一、氣體輻射和吸收的特點(diǎn)一、氣體輻射和吸收的特點(diǎn)（1）氣體的輻射和吸收）氣體的輻射和吸收對波長有強(qiáng)烈的選擇性對波長有強(qiáng)烈的選擇性。 氣體只能輻射和吸收氣體只能輻射和吸收光帶光帶的能量，對光帶以外的熱的能量，對光帶以外的熱射線，氣體就成為透熱體。射線，氣體就成為透熱體。 光帶光帶: 氣體輻射和吸收的波長范圍。氣體輻射和吸收的波長范圍。 氣體的輻射光譜和氣體的輻射光譜和吸收光譜吸收光譜 不連續(xù)不連續(xù)1黑體；黑

16、體；2灰體；灰體；3氣體氣體氣體的輻射能力仍可用其黑度來表征。氣體的輻射能力仍可用其黑度來表征。表表14-2水蒸氣和二氧化碳的輻射和吸收光帶水蒸氣和二氧化碳的輻射和吸收光帶 部分光帶重疊部分光帶重疊 光帶光帶氣體種類氣體種類H2OCO2波長范圍波長范圍/ m帶寬帶寬/ m波長范圍波長范圍/ m帶寬帶寬/ m2.243.271.032.363.020.664.8 8.53.74.014.80.7912251312.516.54.0氣體的吸收率不再與其黑度相等，不能近似地作為灰體處理。氣體的吸收率不再與其黑度相等，不能近似地作為灰體處理。 氣體的吸收能力除與本身氣體的吸收能力除與本身情況有關(guān)外，還

17、與外來的情況有關(guān)外，還與外來的波長范圍有關(guān)波長范圍有關(guān) 當(dāng)輻射能投射到氣體當(dāng)輻射能投射到氣體界面上時，輻射能穿過氣界面上時，輻射能穿過氣體界面并進(jìn)入氣體層，在體界面并進(jìn)入氣體層，在透過氣體層的過程中透過氣體層的過程中不斷不斷被氣體吸收被氣體吸收，最后只有部，最后只有部分能量穿透整個氣體層。分能量穿透整個氣體層。 當(dāng)氣體層對某一界面當(dāng)氣體層對某一界面輻射時，實際上是整個氣輻射時，實際上是整個氣體層中各處的氣體對該界體層中各處的氣體對該界面輻射的總和。面輻射的總和。 （2）氣體的輻射和吸收是在整個容積中進(jìn)行的。）氣體的輻射和吸收是在整個容積中進(jìn)行的。 固體的輻射和吸收固體的輻射和吸收是在表面進(jìn)行的

18、是在表面進(jìn)行的 二、火焰輻射二、火焰輻射 鍋爐內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生的火焰與四周受熱面（水冷壁）之間進(jìn)行輻射傳鍋爐內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生的火焰與四周受熱面（水冷壁）之間進(jìn)行輻射傳熱的過程稱為熱的過程稱為爐內(nèi)輻射換熱爐內(nèi)輻射換熱。 火焰輻射近似于固體輻射火焰輻射近似于固體輻射，可近似地作為，可近似地作為灰體灰體處理。處理。 發(fā)光火焰的輻射特性與其所含發(fā)光火焰的輻射特性與其所含微粒的大小和數(shù)量微粒的大小和數(shù)量有關(guān)。有關(guān)。 火焰中含有煤粒、飛灰與煙渣等火焰中含有煤粒、飛灰與煙渣等具有輻射能力強(qiáng)的固體微粒具有輻射能力強(qiáng)的固體微粒 為復(fù)雜換為復(fù)雜換熱過程熱過程 三、太陽三、太陽輻射輻射 太陽的巨大能量完全靠太陽的巨大能

19、量完全靠輻射輻射方式送達(dá)地球表面方式送達(dá)地球表面; 由由于距離遙遠(yuǎn)，到達(dá)地球的于距離遙遠(yuǎn)，到達(dá)地球的太陽射線近似于平行太陽射線近似于平行。 由于太陽由于太陽溫度高溫度高達(dá)數(shù)千萬度，它向宇宙空間輻射的達(dá)數(shù)千萬度，它向宇宙空間輻射的能量中約能量中約98集中在集中在0.2 m 3 m的的短波區(qū)短波區(qū)。 紫外線紫外線部分（部分（ 0.38 m）約占）約占8.7，太陽輻射能量中太陽輻射能量中: 可見光可見光部分（部分（0.38 m 0.76 m）約占）約占44.6， 紅外線紅外線部分（部分（ 0.76 m）約占）約占45.4。 在太陽和地球的平均距離上，在地球大氣層外緣與太陽射線垂直的單位面積上在太陽和

20、地球的平均距離上，在地球大氣層外緣與太陽射線垂直的單位面積上接收到的太陽輻射能為接收到的太陽輻射能為Sc1367W/m21.6W/m2 Sc 為太為太陽常數(shù)陽常數(shù)由由Sc ，可算得，可算得太陽表面太陽表面相當(dāng)于溫度為相當(dāng)于溫度為5762K的黑體的黑體。 地球大氣層外緣某區(qū)域水平面上地球大氣層外緣某區(qū)域水平面上單位面單位面積積所接受到的所接受到的太陽輻射能太陽輻射能為為 GsfSccos f :地球繞太陽運(yùn)行軌道非圓形的修正，地球繞太陽運(yùn)行軌道非圓形的修正，f 0.971.03 :太陽射線與水平面法線的夾角，稱太陽射線與水平面法線的夾角，稱天頂角天頂角。太陽射線大氣層地面GS2OnSc 太陽射線在穿過大氣層時，太陽射線在穿過大氣層時，沿程強(qiáng)度逐漸減弱沿程強(qiáng)度逐漸減弱，減弱程度與太陽，減弱程度與太陽射線在射線在大氣中的行程長度大氣中的行程長度、大氣的成分大氣的成分及及被污染的程度被污染的程度有關(guān)。有關(guān)。 1.大氣層的吸收作用大氣層的吸收作用 大氣層中的大氣層中的O3、O2、H2O、CO2等氣體對太陽輻射等氣體對太陽輻射的吸收具有明顯的選擇性。的吸收具有明顯的選擇性。臭氧（臭氧（O3） 紫外線紫外線 H2O、CO2紅外線紅外線 部分可見光部分可見光 O2、O3 塵埃、污染物塵埃、污染物各類射線各類射線 2.大氣層的散射作