第六節(jié) 輻射傳熱

1、第六節(jié) 輻射傳熱4-6-1 基本概念和定律 一、基本概念物體以電磁波的形式傳遞能量的過程稱為輻射，被傳遞的能量為輻射能。當(dāng)物體因熱的原因而引起電磁波的輻射即稱熱輻射。電磁波的波長范圍很廣，但能被物體吸收轉(zhuǎn)變成熱能的輻射線主要是可見光線和紅外光線，也即波長在0.420m的部分，此部分稱為熱射線。波長在0.40.8m的可見光線的輻射能僅占很小一部分，對熱輻射起決定作用的是紅外光線。熱射線的可見光線一樣，服從反射和折射定律，能在均一介質(zhì)中作直線傳播。在真空中和絕大多數(shù)氣體中，熱射線可完全透過，但不能透過工業(yè)上常見的大多數(shù)液體和固體。圖4-31 輻射能的吸收、反射和透過如圖4-31所示，投射在某一物體

2、表面上的總輻射能為Q，其中有一部分能量Qa被吸收，一部分能量QR被反射，余下的能量QD透過物體。根據(jù)能量守恒定律得： 即 （4-96）或 a+R+D=1式中 a=物體的吸收率，無因次； R=物體的反射率，無因次； D=物體的透過率，無因次。當(dāng)a=1，稱為黑體或絕對黑體，表示物體能全部吸收輻射能。當(dāng)R=1，稱為鏡體或絕對白體，表示物體能全部反射輻射能。當(dāng)D=1，稱為透射體，表示物體能全部透過輻射能。實(shí)際上絕對黑體和絕對白體并不存在，只能是接近于黑體或鏡體。吸收率a、反射率R和透過率D的大小取決于物體的性質(zhì)、表面狀況及輻射的波長等。能以相同的吸收率且部分地吸收由0到所有波長范圍的輻射能的物體定義為

3、灰體，灰體也是理想物體，但大多數(shù)工業(yè)上常見的固體材料可視為灰體。 二、斯蒂芬波爾茲曼定律理論研究表明，黑體的輻射能流率為單位時間單位黑體表面向外界輻射的全部波長的總能量，服從斯蒂芬波爾茲曼定律： （4-97）式中 黑體的輻射能流率，W/m2； 黑體的輻射常數(shù)，其值為5.67×108W/（m2·K4）； T黑體的絕對溫度，K。通常將上式寫成： （4-97a）式中 c0黑體的輻射系數(shù)，其值為5.67 W/（m2·K4）。由此看出輻射傳熱與對流傳熱及熱傳導(dǎo)不同，并且輻射傳熱對溫度特別敏感。對灰體其輻射能流率也可表示為： （4-97b）式中，c為灰體的輻射系數(shù)，不同物體的

4、c值不同，并且和物質(zhì)的性質(zhì)、表面情況及溫度有關(guān)，其值小于c0。所以在同一溫度下灰體的輻射能流率總是小于黑體的輻射能流率，其比值稱為黑度，用表示。所以有 （4-98）由此可計算灰體的輻射能力： （4-98a）圖4-32 平行平板間輻射傳熱物體的黑度只與輻射物體本身情況有關(guān)，它是物體的一種性質(zhì)，而和外界無關(guān)。 三、克?；舴蚨纱硕山沂玖宋矬w的輻射能流率與吸收率a之間的關(guān)系。設(shè)有彼此非常接近的兩平行平板，一塊板上的輻射能可以全部投射到另一塊板上，如圖4-32所示。若板1為灰體，板2為黑體。設(shè)1、a1、T1和2、a2、T2表示板1、2的輻射能流率、吸收率和表面溫度，且T1T2?，F(xiàn)討論兩塊板之間的熱量

5、平衡情況。以單位時間單位面積為基準(zhǔn)。由于是黑體，板1輻射出的1能被板2全部吸收，而板2輻射的2被板1吸收了a11，余下的（1a1）2被反射回板2，并被全部吸收。對板1來說，輻射傳熱的結(jié)果是： q=1a12式中 q兩板間輻射傳熱的熱流密度，W/m2。當(dāng)兩板達(dá)到熱平衡 ，即T1=T2時，q=0，也即1=a12。表明板1輻射和吸收的能量相等?；?（4-99）若用任何板代替板1，則可寫成下式： （4-100）此式為克希霍夫定律。它說明任何物體的輻射能流率和吸收率的比值均相等，并且等于黑體的輻射能流率，即僅和物體的絕對溫度有關(guān)。將式4-98a代入此式得： （4-101）式中 c=ac0灰體的輻射系數(shù)。對

6、于實(shí)際物體a1，所以cc0。由式4-98和4-100看出在同一溫度下，物體的吸收率和黑度在數(shù)值上相等，但物理意義不同。4-6-2 兩固體間的輻射傳熱圖4-33 平行灰體平板間的輻射過程工業(yè)上遇到的兩固體間的輻射傳熱多在灰體中進(jìn)行。兩灰體間的輻射能相互進(jìn)行著多次的吸收和反射過程，因此在計算傳熱時，要考慮到它們的吸收率、反射率、形狀和大小以及兩者間的距離及相互位置。圖4-33所示的為兩面積很大的相互平行的兩灰體。兩板間的介質(zhì)為透熱體。因兩板很大又很近，故認(rèn)為從板發(fā)射出的輻射能可全部投到另一板上，并且D=0，a+R=1。從板1發(fā)射的輻射能流率為1，被板2吸收了a21，被板2反射回R21，這部分又被板

7、1吸收和反射，如此進(jìn)行到1被完全吸收為止。從板2發(fā)射的輻射能2也有類同的吸收和反射過程。兩平行板間單位時間內(nèi)，單位面積上凈的輻射傳熱量也即兩板間輻射能的總能量差為： 等號右邊中的（）為無窮級數(shù)，它等于1/（1R1R2），代入上式得： （4-102）以1=1c0（T1/100）4，2=2c2（T2/100）4，及a1=1，a2=2，代入整理得： （4-102a）或 （4-102b）式中c12為總輻射系數(shù)。并且有 （4-103）若兩平行板的面積均為A時則有： （4-104）若兩板間的大小與其距離之比不夠大時，一個板面發(fā)射的輻射能流率只有一部分到達(dá)另一面，此份數(shù)用角系數(shù)表示，為此得普遍式為： (4-

8、105)式中 凈的輻射傳熱速率，W； A輻射面積，m2； T1、T2高溫和低溫物體表面的絕對溫度，K； 角系數(shù)。 角系數(shù)的大小不僅和兩物體的幾何排列有關(guān)，還要和選定的輻射面積A相對應(yīng)。幾種簡單情況的值見表4-6和圖4-34。表4-6 值與c12的計算式序號輻射情況面積A角系數(shù)總輻射系數(shù)c121極大的兩平行面A1或A212面積有限的兩相等的平行面A11*1·2·c03很大的物體2包住物體1A111c04物體2恰好包住物體1，A1A2A115在3、4兩種情況之間A11* 此種情況的值由圖4-34查得。圖4-34 平行面間輻射傳熱的角系數(shù)或=1圓盤形；2正方形；3長方形（邊長之比

9、為21）；4長方形（狹長）【例4-11】 車間內(nèi)有一高和寬各為3m的鑄鐵鐵爐門，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，試求放置鋁板前、后因輻射而損失的熱量。解：（1）放置鋁板前因輻射損失的熱量，由式4-105知： 取鑄鐵的黑度1=0.78本題為很大物體2包住物體1的情況，故=1A=A1=3×3=9m2c12=c01=5.67×0.78=4.423W/（m2·k4）所以 =2.166×104W（2）放置鋁板后因輻射損失的熱量。以下標(biāo)1、2和i分別表示爐門、房間和鋁板。假定鋁板的溫度為Ti，則鋁板向房間輻射的熱量為： 式中 Ai=3×3=9m2 W/（m2·k4）所以 （a）爐門對鋁板的輻射傳熱可視為兩無限大平板之間的傳熱，故放