《傳熱與換熱器》課件-任務(wù)3-4：輻射換熱

傳熱與換熱器內(nèi)容與安排認(rèn)識(shí)傳熱導(dǎo)熱輻射換熱對(duì)流換熱換熱設(shè)備的傳熱計(jì)算與強(qiáng)化前課回顧穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱前課回顧穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱前課回顧穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱前課回顧穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱任務(wù)3-2：輻射換熱應(yīng)用分析與計(jì)算知識(shí)目標(biāo)：掌握輻射傳熱加強(qiáng)和削弱的方法；掌握爐內(nèi)輻射換熱的特點(diǎn)；能力目標(biāo)：能夠?qū)φ陉?yáng)板在工業(yè)、生活中的應(yīng)用進(jìn)行分析和計(jì)算，能夠?qū)t內(nèi)換熱進(jìn)行分析和計(jì)算。引入炎炎夏日，汽車在日光下暴曬，這是生活中常見(jiàn)熱輻射現(xiàn)象。哪些物體可以產(chǎn)生熱輻射，熱輻射強(qiáng)度和什么有關(guān)呢？相關(guān)知識(shí)熱輻射：因熱的原因而發(fā)出輻射的現(xiàn)象。

射線

<10-4

m紅外線：0.76<

<103

m

無(wú)線電波：

>106

m

微波：103<

<106

m

可見(jiàn)光：0.38<

<0.76

m紫外線：10-2<

<0.38

mX射線：10-4<

<10-2

m工業(yè)上有實(shí)際意義的熱射線輻射線熱射線只占波譜的一部分，主要集中在紅外線區(qū)域熱輻射熱輻射也是電磁波?。∠嚓P(guān)知識(shí)工程上，輻射溫度一般在2000K以下，熱輻射主要集中于紅外線區(qū)域。根據(jù)輻射體溫度的不同，我們可以感受到不同強(qiáng)度的能量照射，因此，熱輻射也稱為溫度輻射。熱輻射相關(guān)知識(shí)不同溫度的物體，即使不相互接觸，卻可以通過(guò)熱射線的相互輻射和吸收進(jìn)行能量交換的現(xiàn)象。輻射換熱輻射換熱的特點(diǎn)：a任何物體，只要溫度高于0K，就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；b可以在真空中傳播；c伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；d具有強(qiáng)烈的方向性；e輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)；f發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。任務(wù)對(duì)于工業(yè)高溫下的熱輻射來(lái)說(shuō)，白色表面和黑色表面的吸收比，那個(gè)高？相關(guān)知識(shí)當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時(shí)，一般會(huì)發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收α、反射ρ和透射τ。熱輻射表面的一般性質(zhì)總輻射能吸收反射透射固體、液體不允許熱射線透過(guò)；其他熱射線幾乎不被反射。黑體：吸收比α為1；白體：反射比ρ為1；透熱體：透熱比τ為1。對(duì)于工業(yè)高溫?zé)彷椛?，?duì)射線的吸收和反射有重大影響的是表面的粗糙程度，而不是表面的顏色。高溫輻射≠太陽(yáng)輻射相關(guān)知識(shí)輻射力E：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長(zhǎng)的能量總和。(W/m2)；黑體輻射基本定律相同溫度下黑體的輻射力最大，用Eb表示，而實(shí)際物體的輻射力E為Ε-物體的發(fā)射率或黑度；Eb-同溫下黑體的輻射力，W/m2

相關(guān)知識(shí)黑體輻射基本定律黑體是一種科學(xué)假想的物體，它的吸收比為1，其表面上既沒(méi)有能量反射，也沒(méi)有能量穿透?，F(xiàn)實(shí)生活中是不存在的。但卻可以人工制造出近似的人工黑體。黑體模型基本定律斯忒藩—玻耳茲曼定律（輻射能與溫度的關(guān)系）普朗克定律（輻射能波長(zhǎng)分布的規(guī)律）維恩（Wien）位移定律（峰值波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系）相關(guān)知識(shí)普朗克定律式中，λ—波長(zhǎng)，m；T

—黑體溫度，K；c1

—第一輻射常數(shù)，3.742×10-16W

m2；

c2—第二輻射常數(shù)，1.4388×10-2W

K；

描述真空中黑體在不同溫度下單色輻射力和波長(zhǎng)的關(guān)系（1）黑體的光譜輻射力隨著波長(zhǎng)的增加，先是增大，然后又減小。溫度愈高，同一波長(zhǎng)下的光譜輻射力愈大.（2）隨著溫度的增高，曲線的峰值（最大光譜輻射力）向左移動(dòng)，即移向較短波長(zhǎng)相關(guān)知識(shí)維恩（Wien）位移定律峰值波長(zhǎng)與溫度T成反比的規(guī)律稱為維恩（Wien）位移定律

太陽(yáng)表面溫度約為5800K，由上式可求得

max0.5

m，位于可見(jiàn)光范圍內(nèi)。

對(duì)于1000K溫度下黑體,可求得

max2.9

m，位于紅外線范圍內(nèi)。

相關(guān)知識(shí)斯忒藩—玻耳茲曼定律（四次方定律）斯忒藩—玻耳茲曼定律表達(dá)式可直接由普朗克定律導(dǎo)出,可以用來(lái)計(jì)算物體輻射能力的大小。積分上式得到上式說(shuō)明黑體的輻射力和熱力學(xué)溫度的四次方呈正比，故又稱四次方定律

式中

=5.67×10-8W/(m2

K4)，稱為斯忒藩—玻耳茲曼常數(shù)，又稱為黑體輻射常數(shù)。C0=5.67W/(m2

K4)，稱為黑體輻射系數(shù)。相關(guān)知識(shí)斯忒藩—玻耳茲曼定律（四次方定律）用比較法測(cè)得某一表面在1000K時(shí)的輻射力恰好等于黑體在500K時(shí)的輻射力，試求該表面的黑度。如果比較的標(biāo)準(zhǔn)不是黑體，而是黑度為0.8的實(shí)際表面，兩表面溫度仍是1000K和500K，試求黑度。相關(guān)知識(shí)波段輻射力工程上有時(shí)需要計(jì)算某一波段內(nèi)的輻射能量，稱為波段輻射。相關(guān)知識(shí)波段輻射力黑體輻射函數(shù)Fb(0~λ)與λT的關(guān)系相關(guān)知識(shí)波段輻射力鎢絲的燈絲溫度為2800K，則可見(jiàn)光波段內(nèi)燈絲輻射能站總輻射的百分比。解：可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍是從0.38μm到0.76μm，對(duì)于2800K的黑體其λT值分別為1064μm·K和2128μm·K，可從表5-2中查得Fb(0-λ1T)和Fb(0-λ2T)分別為0.07025%和8.88%。于是可見(jiàn)光所占份額為：Fb(0-λ2T)-Fb(0-λ1T)=8.81%。在燈絲發(fā)出的輻射能中，可見(jiàn)光只占8.81%，其余91.19屬于不可見(jiàn)的紅外輻射，并轉(zhuǎn)化為熱能，散失到周圍環(huán)境，鎢絲燈作為光源其效率是很低的。相關(guān)知識(shí)小結(jié)黑體的輻射力由斯忒藩—玻耳茲曼定律確定，輻射力正比于熱力學(xué)溫度的四次方；黑體的輻射能按波長(zhǎng)分布的規(guī)律服從普朗克定律；黑體的光譜輻射力有一峰值，與此峰值相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λm由維恩位移定律確定，隨著黑體溫度的升高，λm向短波方向移動(dòng)。相關(guān)知識(shí)氣體輻射（1）氣體的輻射和吸收對(duì)波長(zhǎng)具有選擇性；（2）氣體的輻射和吸收在整個(gè)容積中進(jìn)行（3）氣體的輻射和吸收與氣體的種類、壓力、溫度以及射線波長(zhǎng)、平均射線行程有關(guān)相關(guān)知識(shí)太陽(yáng)輻射太陽(yáng)的輻射能主要集中在

=0.2~3.0

m波長(zhǎng)范圍內(nèi)，約占99%。紫外線約占8.7%；可見(jiàn)光約占43%；紅外線約占48.3%。經(jīng)過(guò)大氣層的吸收、散射和反射之后，夏季理想的大氣透明度條件下，中午前后到