傳熱學 第五章 輻射換熱(Radiation Heat Transfer)

1、第五章 輻射換熱(Radiation Heat Transfer) 5.1輻射的基本概念 一、輻射的本質 輻射物體通過電磁波傳遞能量的過程 熱輻射是由于物體內部微觀粒子的熱運動狀態(tài)改變時，而將部分內能轉變成電磁波的能量發(fā)射出去的過程。熱輻射的三大特點 可以在真空中傳播； 能量形式在傳播過程中發(fā)生了變化 一切物體只要溫度大于0K，就會不停地發(fā)射熱射線。 5.1輻射的基本概念 由于起因不同，物體發(fā)射電磁波的波長也不同，可分為： 5.1輻射的基本概念 由于起因不同，物體發(fā)射電磁波的波長也不同，可分為： 0.38m 紫外線、X射線、射線 0.380.76m 可見光 0.761000m 紅外線 0.76

2、4m 近紅外 41000m 無線電波 熱輻射的波段=0.1100m 5.1輻射的基本概念 熱輻射具有一般輻射現(xiàn)象的共性，以光速傳播： cc ：電磁波的傳播速度，3108m/s：頻率1/s ：波長m輻射的本質極其傳播過程除了用電磁波理論來說明外，對有些現(xiàn)象 還需進一步用量子理論來解釋。即：輻射的本質既具有波動性，又具有粒子性。輻射的粒子性表明：輻射是離散的量子化能量束， 是光子傳播能量的過程。 光子的能量e與頻率的關系可以普朗克公式表示： eh h6.6310-34J.S二、吸收率、反射率、穿透率 5.1輻射的基本概念 投入輻射: 單位時間內投射到單位面積物體表面上的全波長范圍內的輻射能。G W

3、/m2 吸收比 反射比透射比 根據(jù)能量守恒，二、吸收率、反射率、穿透率 5.1輻射的基本概念 注意： （1） 屬于物體的輻射特性，取決于物體的種類、溫度和表面狀況，是波長的函數(shù)。 不僅取決于物體的性質，還與投射輻射能的波長分布有關。 （2）固體和液體對輻射能的吸收和反射基本上屬于表面效應：金屬的表面層厚度小于1m；絕大多數(shù)非金屬的表面層厚度小于1mm。 （3）對于固體和液體， 。二、吸收率、反射率、穿透率 5.1輻射的基本概念 注意： 鏡反射與漫反射： 產(chǎn)生何種反射決于物體表面的粗糙程度和投射輻射能的波長 。黑體模型及其重要性5.1輻射的基本概念 對于黑體： 鏡體或白體：透明體：111人工黑體

4、：空腔上的小孔接近于黑體。白天從 遠處看房屋的窗戶有黑洞洞的感覺。5.1輻射的基本概念 1889年O.lummer等測定了黑體輻射光譜能量分布的實驗數(shù)據(jù)。1879年J.Stefan根據(jù)實驗數(shù)據(jù)確立了黑體輻 射力正比絕對溫度的四次方規(guī)律。1884年L.Boltzmann從理論上證實了上述定律。1896年Wien位移定律。19世紀末L.Rayleigh-J.H.Jeans公式。輻射換熱的發(fā)展歷史1900年M.Planck定律。JOSEF STEFAN1835-1893 Austrian physicist Ludwig Boltzmann 1844 -1906 Italy physicist Wi

5、lhelm Wien 1864 -1928 Germany physicist Lord Rayleigh 1842 -1919 England physicist Max Planck 1858 -1947 Germany physicist 太陽能利用的簡述太陽可說是地球上最大的能源，太陽光每天到達地面的能量約為全世界石油蘊藏量的1/4，且又不會產(chǎn)生環(huán)境污染。由于化石燃料的價格猛增和環(huán)境壓力的需求，太陽能目前成為新一代最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉串a(chǎn)業(yè)。 5.1輻射的基本概念 太陽能的利用方式光熱利用 將太陽輻射能收集起來，轉換熱能加以利用。目前使用的太陽能收集裝置，主要有平板型集熱器、真空管集熱器和

6、聚焦集熱器等3種。 太陽能發(fā)電 光熱電轉換。 光電轉換。 光化利用 直接分解水制氫 光生物利用 5.1輻射的基本概念 5.1輻射的基本概念 小作業(yè)1：觀察生活中的一些現(xiàn)象，提出若干個可以應用太陽能的設想。（如便攜式充電。）2：通過互聯(lián)網(wǎng)檢索，畫出一張熱電“光熱電”轉換的結構圖。5.1輻射的基本概念 5.2黑體輻射的基本定律 5.2黑體輻射的基本定律 5.2黑體輻射的基本定律 5.2黑體輻射的基本定律 5.2黑體輻射的基本定律 對服從蘭貝特定律的輻射，可以得到：說明：單位時間、單位面積發(fā)出的輻射能，落到不同空間單位立體角內的數(shù)量不同，其數(shù)值正比于該方向與輻射表面法線方向夾角的余弦，故又稱蘭貝特定

7、律為余弦定律。定向輻射強度L與輻射力Eb之間的關系為：5.2黑體輻射的基本定律 5.3 兩無限大黑體平板間的輻射換熱 （光譜發(fā)射率）5.4 實際物體的輻射與吸收 eqeqeqeq5.4 實際物體的輻射與吸收 如嚴重氧化的鋁50 500 5.4 實際物體的輻射與吸收 (光譜吸收率)5.4 實際物體的輻射與吸收 5.4 實際物體的輻射與吸收 5.4 實際物體的輻射與吸收 例子：實際物體與黑體間的輻射換熱。當處于熱平衡時得到：5.5基爾霍夫定律5.5基爾霍夫定律5.5基爾霍夫定律例題 溫度為310K的4個表面置于太陽光的照射下，設此時各表面的光譜吸收比隨波長的變化如圖所示。試分析在計算與太陽能的熱交

8、換時，哪些表面可以看作灰體處理？為什么？5.6無限大灰體間輻射換熱特性5.7 漫射表面間的角系數(shù)5.7 漫射表面間的角系數(shù)A1A2A1A2acdb12125.7 漫射表面間的角系數(shù)125.8 灰表面間的輻射換熱 （相當于無限大平板）（室內電爐子、熱電偶測溫）5.8 灰表面間的輻射換熱 例：三個灰表面間的輻射換熱重輻射表面對封閉腔內輻射換熱的影響重輻射表面的溫度輻射換熱的強化與削弱問題電暖器及電爐取暖問題太陽能熱水器問題冬天洗澡問題植物結霜問題提高熱電偶測溫精度問題5.8 灰表面間的輻射換熱 已知一個正四面體，每面面積為2m2。其中兩個面為黑體，溫度分別為1200K和500K，另兩個面為黑度0.

9、8的灰體并絕熱。求兩個黑體表面間的輻射換熱熱流及另兩個絕熱面的溫度。5.9 氣體輻射 臭氧是在大氣中產(chǎn)生的一種氣體。平流層中的氧氣在太陽紫外輻射下發(fā)生反應生成臭氧。臭氧分子由三個氧原子組成。 太陽射線包含一定的紫外成分。紫外輻射的波長范圍從100nm到400nm，可分為三個波段：UV-A（315-400nm），UV-B（280-315nm）和UV-C（100280nm）。陽光穿過大氣層時，UV-C無法通過，UV-B只能通過約10%。它們主要被臭氧吸收。大氣層對UV-A幾乎沒有影響。因此到達地表的紫外線主要由UV-A和少量UV-B組成。大氣中臭氧濃度的降低導致UV-B水平的升高。近年來，臭氧層受

10、到氟氯代烷等氣體的破壞，這種現(xiàn)象已引起人們的普遍關注，并采取各種措施，減少并逐步停止氟氯代烷等的生產(chǎn)和使用，保護臭氧層。 5.9 氣體輻射 溫室效應 溫室效應(英文：Greenhouse effect)，是大氣保溫效應的俗稱。大氣能使太陽短波輻射到達地面，但地表向外放出的長波熱輻射線卻被大氣吸收，這樣就使地表與低層大氣溫度增高。自工業(yè)革命以來，人類向大氣中排入的二氧化碳等吸熱性強的溫室氣體逐年增加，大氣的溫室效應也隨之增強，已引起全球氣候變暖等一系列嚴重問題，引起了全世界各國的關注。 5.9 氣體輻射 溫室效應 溫室效應對環(huán)境的影響：1：氣候轉變：全球變暖 赤道和熱帶地區(qū)幾乎不升溫，升溫主要集中在高緯度地區(qū) 。2：地球上的病蟲害增加 3：海平面上升4：氣候反常，海洋風暴增多 5：土地干旱，沙漠化面積增大 人類的對策1：增加碳吸收（保護森林，植樹等） 2：減少碳排放（汽車尾氣，可再生能源替代化學能等）5.9 氣體輻射 5.9 氣體輻射 5.9 氣體輻射 xL5.9 氣體輻射 貝爾定律式中，L是輻射通過的路程長度，常稱之為射線程長。從上式可知，熱輻射在氣體內呈指數(shù)規(guī)律衰