《传热学基础(第二版)第七章教学课件 辐射换热.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传热学基础(第二版)第七章教学课件 辐射换热.（85页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第七章 辐射换热 n7-1 热辐射的基本概念 n7-2 热辐射的基本定律 n7-3 两个黑体间的辐射换热 n7-4 角系数 n7-5 灰体间的辐射换热 n7-6 气体辐射 n7-7 火焰辐射 1/84 7-1 热辐射的基本概念 n 在绪论中已经指出，因热的原因而产生 的电磁波辐射称为热辐射。不同的电磁波 位于一定的波长区段内，如图7-1所示。 2/84 n 在工业上所遇到的温度范围内，即2000K以 下，有实际意义的热辐射波长位于0.38100m (1m=10-6m)之间，且大部分能量位于0.76 20m间的红外线区段。在0.380.76m的可见光 区段，热辐射能量的份额不大。 红外线又有近红
2、 外与远红外之分，大体上以4m为界限，波长 4m以下的红外线称为近红外，而4m以上的红 外线称为远红外。 n 七十年代初期发展起来的远红外加热技术， 就是利用远红外辐射元件发射出的以远红外线为 主的电磁波对物料进行加热。由于辐射和吸收的 匹配有利，对许多涂料、物料的加热，它具有效 率高、能源消耗低的显著优点。 3/84 投射到物体表面上的热 辐射，和可见光一样；也有 吸收、反射和穿透现象。 在外界投射到物体表面 上的热辐射Q中，一部分Q 被物体吸收，另一部分Q被 反射，其余部分Q穿透过物 体。 4/84 实际上，当辐射能进入固体或流体表面后，在一极薄 层内即被完全吸收。对于金属导体，薄层1m的
3、数量 级，对于大多数非导电体材料，厚度亦小于1mm。 按能量守恒定律有 上式左方的各能量百分数分别称为物体的吸收率、 反射率和穿透率，记为 。 于是 5/84 实用工程材料的厚度都大于这些数值，因此可以 认为固体和流体不允许热辐射穿透，即 。于是 ，对于固体和液体： 就固体和液体而言，吸收能力大的物体其反射本 领就小。反之，吸收能力小的物体是反射本领就大。 热辐射投射到物体表面后的反射现象，也和可见 光一样，有镜面反射和漫反射的区分。它取决于表面 的粗糙程度。这里所指的粗糙程度是相对于热辐射的 波长而言的。 6/84 当表面的不平整尺寸 小于投射辐射的波长时， 形成如图7-3所示的镜面 反射，
4、此时入射角等于反 射角。高度磨光的金属板 是镜面反射的实例。当表 面的不平整尺寸大于投射 辐射的波长时，形成漫反 射。 7/84 漫反射的射线是十分不规 则的，如图7-4所示。一般工 程材料的表面都形成漫反射 。 气体对投射来的热辐射 几乎没有反射能力，可认为 反射率=0， 气体的辐射和吸收在整个气 体容积中进行，其表面状况 则是无关紧要的。 8/84 由于不同物体的吸收率、反射率和穿透率 因具体条件不同而千差万别，给热辐射的计算 带来很大困难。为了理出一个处理复杂问题的 头绪来，我们定义一些理想物体。我们把吸收 率 的物体叫做绝对黑体，简称黑体； 把反射率 的物体叫做镜体(当反射为漫 反射时
5、称绝对白体)；把穿透率 的物体叫 做透明体。 黑体在热辐射的理论分析中有其特殊的重 要性。我们先论述黑体辐射的基本规律。在此 基础上，我们处理实际物体辐射的思路是：找 出其与黑体辐射的偏离，确定必要的修正系数 。 9/84 黑体的吸收率 ， 这意味着黑体能够全部吸收 各种波长的辐射能。尽管在 自然界并不存在黑体，但用 人工的方法可以制造出十分 接近于黑体的模型。让我们 来阐述黑体模型的原理。取 用工程材料(它的吸收率必然 小于黑体)制造一个空腔，使 空腔壁面保持均匀的温度， 并在空腔壁上开一个小孔。 10/84 所以，就辐射特性而言，小孔具有黑体表面 一样的性质。值得指出，小孔面积占空腔内壁总
6、 面积的份额越小，小孔就越接近黑体。若小孔占 内壁面积小于0.6%，当内壁吸收率为0.6时，计 算表明，小孔的吸收率可大于0.996。应用这种 原理建立的黑体模型，在黑体辐射的实验研究及 为实际物体提供辐射的比较标准等方面都是十分 有用的。 物体向外界发射辐射能量的度量用辐射力表 示。辐射力是物体在单位时间内单位表面积向表 面上半球空间所有方向发射的全部波长的总辐射 能量，记为E。它的单位是W/。辐射力表征物 体发射辐射能量本领的大小。 11/84 在热辐射的整个波谱内 ，不同波长发射出的辐射 能是不同的。典型的例子 如图7-6所示。图上每条曲 线下的总面积表示相应温 度下黑体的辐射力。对特
7、定波长 来说，从波长 到 +d 区间发射出的能量为 Ed，参看图中有阴影的 面积(图中以T=1000K为例 示出)。 12/84 此图的纵坐标 E称为单色辐射力，它与辐 射力之间存在着如下的关系 注意：单色辐射力与辐射力的单位相差一个 长度单位，单色辐射力的单位是W/m3。 为明确起见，以后凡属于黑体的一切量，都 将标明下角码b。例如，黑体的辐射力和单色辐 射力将分别表示为E b和E b。 13/84 1、普朗克定律 普朗克定律揭示了黑体辐射能量按波长的分布规 律，即黑体单色辐射力的具体函数形式。根据量子理 论导得的普朗克定律有如下数学表达式 式中， 波长，m； T黑体的绝对温度，K； e自然
8、对数的底； C1常数，其值为3.7417710-16W； C2常数，其值为1.4387710-2mK。 7-2 热辐射的基本定律 14/84 图7-6为普朗克定 律式的图示。按照普朗 克定律，在热辐射有实 际意义的区段内，单色 辐射力先随着波长的增 加而增大，过一峰值后 则随波长的增加而减小 。 随温度升高，热辐 射中可见光的比例在不 断增加。 15/84 细心观察图7-6上的曲 线可以发现，曲线的 峰值随着温度的升高 移向较短的波长。 16/84 对应于单色辐射力峰值的波长m与绝对温 度T之间存在着如下的关系 此式表达的波长m与绝对温度成反比 的规律，称为维恩位移定理。它在高温测 量技术中有
9、应用。 17/84 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m。 解 可直接应用式(7-7)计算： T=2000K时， T=5800K时， 计算结果表明，在工业上的一般高温范围(约 2000K)，黑体辐射峰值的波长位于红外线区段， 而太阳表面温度(5800K)的黑体辐射峰值的波长 则位于可见光区段。 18/84 普朗克定律也为加热金属时呈现的不 同颜色，即所谓色温，提供解释的依据。 当金属温度低于500时，由于实际上没 有可见光辐射，我们不能观察到金属颜色 的变化。随着温度进一步地升高，金属将 相呈现暗红、亮红、桔黄等颜色，当温度 超过1300时将
10、出现所谓白炽。这是由于 随着温度的升高，热辐射中可见光部分不 断增加形成的。利用色温判断被加热物体 的温度，不需要在灼热的物体上安装测温 元件，有特殊的优越性。 19/84 2、斯蒂芬玻尔兹曼定律 在热辐射的分析计算中，确定黑体的辐射力是至 关重要的。 将普朗克定律式 代入式 积分的结果就得到著名的斯蒂芬玻尔兹曼定律： W/ (7-8) 这个理论关系也为实验所证实。 20/84 斯蒂芬玻尔兹曼定律揭示了黑体辐射 力正比于其绝对温度的四次方的规律，故又 称四次方定律。式中，b为黑体辐射常数， 其值为5.6710-8W/(K4)。为了高温时计算 上的方便，通常把式(7-8)改写成如下形式 W/ (
11、7-9) 式中，Cb称为黑体辐射系数，其值为5.67 W/(K4)。 21/84 例题7-2 试分别计算30和300黑体的辐 射力。 解 应用式(7-9)计算： 30时， 300时， 22/84 3、基尔霍夫定律 在辐射换热计算中，不仅要计算物体本 身发射出去的辐射，还要计算物体对投来辐 射的吸收。物体的辐射和吸收之间有什么内 在联系呢？基尔霍夫定律回答了这个问题。 它揭示了物体的辐射力与吸收率之间的理论 关系。这个定律可以从研究在下列条件下的 能量收支平衡导出。 23/84 Eb(1- 1 ) F0 F 1 EE Eb(1- 1 ) Eb Eb 1 如图所示，设想两个平行平 板相互辐射， F
12、0为黑体表面 ，其吸收率等于1。 F是吸收 率为1的实际物体表面，由 于两个平板面积很大，相互 距离很小，它们之间是可以 完全透过辐射能的空间，因 而其中任一平板辐射出去的 能量将全部落在另一平板表 面上。当两平行平板处于热 平衡状态。 集中注意力于实际物体 表面F的能量收支：在投来的 黑体辐射Eb中，被它吸收的 部分是1Eb，其余部分反射 回黑体表面F0被完全吸收， 故物体的净收入为 1Eb；物 体的净支出为E1，此份能量 到达黑体表面F0被完全吸收 。在热平衡状态下，收支必 须相等。 于是 1Eb= E1 24/84 Eb(1- 1 ) F0 F1 E1E1 Eb(1- 1 ) Eb Eb
13、 1 根据黑体表面 ： 黑体表面发出的辐射力为 Eb 黑体表面吸收的辐射力： 在热平衡状态下 25/84 Eb(1- 1 ) F0 F1 E1E1 Eb(1- 1 ) Eb Eb 1 物体F是任意的，推广到其它实际的物体时 可得 此式就是基尔霍夫定律的数学表达式 。它可以表述为：任何物体的辐射力与它 对来自同温度黑体辐射的吸收率的比值， 与物性无关而仅取决于温度，恒等于同温 度下黑体的辐射力 。 26/84 从基尔霍夫定律可以得出如下的重要推论： 1. 在相同温度下，一切物体的辐射力以黑体的 辐射力为最大。 2. 物体的辐射力越大，其吸收率也越大。 换句话说，善于辐射的物体必善于吸收。值 得指
14、出，上述基尔霍夫定律推导中的两个约束 条件，即只在热平衡状态下适用和投入辐射限 于黑体辐射，不能满足换热计算的要求。在大 量换热计算中涉及的恰恰是热不平衡状态以及 非黑体的投入辐射。以下论述在于说明在什么 条件下两个约束条件才可以去除。 27/84 首先应当指出，物体的吸收率是材料在 整个波长范围内的积分平均性能。它的复杂性 来源于吸收率和投来辐射都随波长作不规则的 变化。图7-8示出单色吸收率 依波长变化的 例子。 28/84 图7-9则示出实际物体单 色辐射力依波长的不规则变 化。温度为T1的物体1对来自 温度为T2的物体2的辐射的吸 收率可表成 式中，E2（T2） 温度为T2的物体2的单色辐射 力； 1（T1）温度为 T1的物体1的单色吸收率。 29/84 上式表明，单色吸收率是个物性，与 投入辐射无关，但是整个波长范围积分平均 的吸收率则不仅与自身物性和温度有关，同 时还取决于投来辐射的性质和温度。于是平 均的吸收率是参与辐射的两个物体的
