热量学charpter7 辐射换热

第七章

辐射换热

RadiationHeatTransfer1§7-1热辐射的根本概念绪论中我们讲过，辐射是热量传递的三种根本方式之一。教科书的安排方法是分别介绍导热、对流和辐射，然后再将它们综合在一起。在工农业生产和日常，生活中有大量的辐射问题。锅炉炉膛主要是辐射传热。除了烟气温读较低的空气预热器以外，其余各受热面的传热计算都要考虑辐射换热。如锅炉运行时的汽温特性、暖气、太阳能等。2辐射(Radiation)：以电磁波传递能量的过程。热辐射(ThermalRadiation)：由于热的原因而发生的辐射。一、热辐射及其本质热辐射是电磁波，它就由一般电磁波的共性，即它是一光速在空间传播的。有以下关系成立：二、电磁波谱(Electromagneticspectrum)式中：C—速度f—频率

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

to0.76

mInfraredrays0.76to1000

mRadioand1000to21010mHertzianwavesHeatrays

0.1to100m4如以下图，热辐射，0.1—100µm；可见光，0.38—0.76µm。地球上大局部物体<2000K0.38-100µm大局部在0.76-20µm太阳5762K的黑体在0.2---2µm0.76---20µm为红外线区域近红外线(Nearinfrared)远红外线(Farinfrared)。5光辐射大家是熟悉的。当一束光投在一物体上后，一局部被吸收，一局部被反射，还有一局部穿过物体。热辐射也有同样的性质。投射辐射(IncidentradiationorIrradiation)为Q,如图，其中：吸收：Qα反射：Qρ穿透：Qτ由热力学第一定律：或：Q三、热辐射的吸收、穿透和反射6固体、液体：当辐射能进入其外表后，在极短的距离内就被吸收完了。金属导体，这个距离只有1微米的量级。大多数非导电材料，这个距离小于1毫米。而是用工程材料都大于这个数值，故可以认为固体和液体的τ=0，于是：那么：吸收比(率)absorptivity反射比(率)reflectivity穿透比(率)

transmissivity7反射现象也同光一样，有镜面反射和漫反射之分，镜面反射：入射角=反射角，外表粗糙度<波长漫反射：外表粗糙度>波长气体：当辐射投在气体上，它几乎没有反射能力，故可以认为ρ=0，于是固体，液体对辐射的吸收和反射都是在外表上进行的，而不涉及其内部，故外表的状况对辐射的影响是至关重要的。玻璃？气体的辐射和吸收都是在内部进行的，外表形状那么无关紧要。89黑体不是黑色物体黑体，镜体和透明体并不存在。人工可以制造十分接近黑体(内外表6%的小孔，α≈0.996)的模型。黑体如同不可压流体、可逆循环等一样，是一种理想化的研究方法。黑体(perfectblackbody)四、理想辐射模型理想的反射体〔perfectreflector)镜体(specular)白体(diffuseperfectreflector)透明体(transparentmedia)10§7-2黑体辐射根本定律(BlackBodyRadiation)1.辐射力(EmissivePower)：单位时间内物体的单位外表积向半球空间所有方向发射出去的全部波长的辐射能量(W/m2)。一、根本概念半球空间：dA辐射是向着它的上方各个方向的。如在上方做个半球，那么dA发出的辐射能全部要通过这个半球空间，所以我们称dA以上的空间为半球空间。112.

光谱辐射力(MonochromaticEmissivePowerorSpectralEmissivePower)：单位面积辐射体在单位时间内向半球空间发射的波长为λ(+dλ区间)的能量。为曲线下的总面积。如图12二：黑体辐射的根本定律(BasicLawforBlackBodyRadiation)黑体辐射的理论是建立在如下几个根本定律根底上的，即：普朗克(Plank)定律(1900)维恩位移(Wien‘sdisplacement)定律；(1893热力学理论得出〕斯忒藩-波尔兹曼(Stefan-Boltzman)定律〔1879实验，1884热力学理论〕兰贝特(Lambert)定律。13

1.Plank’sLaw(1900)：黑体得辐射实验前人得工作紫外灾变

Plank’sLawEbλ--光谱辐射力,W/m3；λ--波长,m；

T--黑体热力学温度,K；e--自然对数的底；c1---第一辐射常量,3.742×10-16W·m2；c2---第二辐射常量,1.438×10-2m·K。Planck认为黑体以hv为能量单位，不断发射和吸收频率为v的辐射，hv称为能量子14由Planck定律知Eλ=f(λ,T)如图，

Eλ有最大值随着T

增大

max向左移动2.Wien’sdisplacementLaw1893热力学理论得出由Plank’sLaw对

求导，并令15如不是黑体，那么不完全遵守这个定律，但其变化方向是相同的，例如金属〔钢锭〕：当T<500ºC时，没有可见光，颜色不变；T增大，其颜色分别为暗红、鲜红、桔黄和白色。例题7-1试分别计算温度为2000K和5800K的黑体的最大单色辐射力所对应的波长。解：应用Wien位移定律T=2000K时

max=2.910-3/2000=1.45mT=5800K时

max=2.910-3/5800=0.50m常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区16

3.Stefan-BoltzmanLaw1879年Stefan实验，1884年Boltzman热力学理论将Plank’sLaw积分即得：式中：

为黑体辐射常数，其值为5.6710-8W/(m2·K4)。为计算高温辐射的方便，可改写为：式中，C0为黑体辐射系数，5.67W/(m2·K4)。17

在实际中，有时需求出某一特定波长的辐射能量。由Planck定律,黑体在波长至去段所发射出的辐射能为：

即右图中的在

1和

2之间的线下面积。通常用同温度下的百分数表示，18f(T)称为黑体辐射函数(RadiationFunctionorFractionalfunction)其数值见教材第277页表6-1能量份额后，在给定的波段区间，单位时间内黑体单位面积所辐射的能量可方便地由下式算出：式中，Fb〔0-1〕、Fb〔0-2〕分别为波长从0至1和0至2的黑体辐射占同温度下黑体辐射力的百分数。能量份额Fb〔0-〕可以表示为单一变量T的函数，即19例题7-3试分别计算温度为1000K、1400K、3000K、6000K时可见光和红外辐射在黑体总辐射中所占的份额。辐射与颜色的关系：夏天穿白色衣服凉快，因为我们吸收的是太阳辐射(0.2-2m)可见光占比例很大。地球上物体的辐射不同，因温度低〔2000K〕以下，多与颜色无关20平面角如图7-6，s为弧长，r为半径。=s/r〔rad〕立体角如图7-7，一个半球，在球面上取一个小面积，在这个面积周边向球心做射线，那么这些射线所包围的空间即为立体角。立体角的度量用球面度。θrs平面角定义图4.Lambert’sLaw两个概念：(1)立体角(Solidangle)21为清楚起见，将这个立体角放大，即：半圆：半球：如图，在半球上割下一块微元面积dAc，那么dAc对应的立体角为微元立体角Steradian22(2)定向辐射强度(Intensityofradiation)目的：辐射能按方向分布比较根底：相同的立体角相同的可见外表积定向辐射强度(Intensityofradiation)：单位时间、单位可见辐射外表、单位立体角内的辐射能。为可见辐射面积。其中：23可见辐射面积的重要性24

黑体的定向辐射强度与方向无关。

即(3).Lambert’sLaw问题：暖器取暖时与方向有关，太阳辐射与方向有关，是否与Lambert’sLaw相矛盾？将定向辐射强度定义变形，得辐射能人与暖器得距离不变