工程热力学与传热学16

《工程热力学与传热学16》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程热力学与传热学16（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第十六章辐射换热辐射热是热传导的另一种方式，其机理与导热、对流换热完安全不同。本章主要介绍热辐射的基本概念和基本定律，并在此基础上进一步分析辐射 换热的增强与削减。第一节热辐射的基本概念一、热辐射辐射：物体因某种原因而通过电磁波向外发射能量的现象称为辐射。被发射 的能量称为辐射能。根据电磁波原理，辐射能的发射是原子内部经过复杂运动的结果。发射辐射 能是各种物质的固有特性。任何时候、任何物质都在发射辐射能，也在吸收辐射 能。热辐射：物体由于自身温度或热运动而对外发射辐射能的现现象称为热辐 射。物体只要有一定的温度，就不可避免地向外发射热辐射，温度越高，物体热 辐射能力越强，发射的热辐射能量越多。

2、辐射能是由电磁波传递的。按波长的范围，电磁波可分为不同的射线，如图6-1所示。宇宙射线10-8I 10-6,10,-4热射线10-2 10-1 11010 210 3 10 4 ! 106 波长人（四m）X射线 紫外线 红外线可见光无线电波图16-1电磁波与热射线在常见的温度范围内，热辐射的波长在0.41000. m之间，这一波长范围内的电磁波称为热射线。其中包括可见光线(0.40.75p m)、近红外线(0.7525p m)和远红外线(251000p m)。热射线中，可见光线的波长范围很窄，又位于短波区，在一般工程范围内热 效应较小；近红外线的能量占热射线能量的大部分；远红外线在近十年中才被

3、利用于某些材料的烘干加热流程中，耗能小、效果 好。微波炉就是利用远红外线来加热物体的。远红外线可以穿过塑料、玻璃及陶瓷制品，但却会被像水那样具有极性的物 体吸收。因为被加热的物体中一般都含有水，所以远红外线加热是一种比较理想 的加热手段。二、辐射换热及其特点辐射换热：当物体之间存在温度差时，以热辐射形式实现热量交换的现象称 为辐射换热。辐射换热的特点：（1）参与辐射换热的物体无须接触；（2）辐射换热不必借助中间介质，可以在真空中以光速进行；（3）任何物体在不断发射热辐射的同时也在吸收热辐射。辐射换热是物体之间相互辐射和吸收的总效果。高温物体向低温物体发射辐 射，低温物体也向高温物体发射辐射，最

4、终的效果是热量从高温物体传到低温物 体。当量物体的温度相等时，它们之间也存在辐射换热，只是辐射和吸收的能量 相等，相互之间的热交换为零。三、物体的吸收率、反射率与穿透率热射线中包含有可见光线，因此可见光的投射、反射和折射的规律也适用于 热射线。辐射能Q投射到一物体表面时，一部分（QA）被物体吸收，一部分（QR） 被反射，还有另一部分（QD）被透射。如图16-2所示。物体吸收、反射和透射的能量与投射到物体表面的辐射能之比，分别称为该 物体对外来辐射的吸收率A、反射率R和穿透率D。即A = QAR o_D = Q dQQQ根据能量平衡有: Q= Qa+Qr+Qd且满足：A+R+D=1（16-1）对

5、一般工程材料而言，A、R、D的数值都在0与1之间。如果A=1，则R=0、D=0，表明所有落在物体上的辐射能全部被该物体吸收。这类物体称为绝对黑体（黑体）。如果R=1，则A=0、D=0，表明投射到物体上的辐射能全部被反射出去。这 类物体称为绝对白体（白体）。如果D=1，则R=0、A=0，表明投射到物体上的辐射能全部被透射过去。这类物体称为绝对透明体（透明体）。四、影响吸收和反射的因素自然界中没有绝对的黑体、白体和透明体，提出这些概念都是为了研究的方 便而假定的。如，工程材料中，最接近于黑体的烟煤和黑丝绒，其吸收率A=0.97；高度 磨光的纯金，其反射率R=0.98。实际中，物体的吸收率、反射率和

6、穿透率的数值是由物体的性质、物体的温 度和辐射的波长等因素共同决定的。如，纯空气对于热辐射是透明体，但当空气中混有水蒸气或CO2气体时，又 成了半透明介质。玻璃对可见光和紫外线是透明体，但对红外线来说，就不是透明体了，所以 玻璃可以制作暖房。又如，白表面对可见光线（太阳光）反射能力强，所以夏天穿白色衣服比较 凉爽；需要避免日晒的建筑物及设备等都涂上白漆。对于红外线，无论是白布、白漆，黑布、黑漆一样能吸收。所以颜色的深浅 只是对可见光的吸收率有影响。对于常温下的热射线（主要是红外线），吸收率决定于物体表面的光洁程度。 不管什么颜色，平滑面的反射率要比粗糙面的反射率高好几倍。其原因是：热射线射到凸

7、凹不平的表面上会形成多次反射和吸收，而使总的 吸收量qa增大。一般而言，气体对于辐射能几乎不能反射，因此R=0、A +D=1.固体和液体对热射线来说，由于辐射能在进入表面后很小的距离 内就被吸收完，因此可认为固体和液体的穿透率D=0，A+R=1.即凡是善于吸收的固体和液体，就不善于反射；善于反射的就不善于吸收。五、辐射力辐射力（E）：物体每单位表面积在单位时间内所放射出去的从入=0至0入= 8的一切波长的辐射总能量，称为辐射力。单位：W/m2。辐射力表明了物体向外界发射能本领的大小。第二节热辐射的基本定律一、斯蒂芬一波尔兹曼定律斯蒂芬一波尔兹曼定律：绝对黑体的辐射力与其热力学温度的四次方成正

8、比。（也称为四次方定律）。数学表达式为：(16 - 2)E C (-2-)4式中，C0=5.669W/（m2K-4）,称为绝对黑体的辐射系数。斯蒂芬一波尔兹曼定律揭示了黑体辐射的规律，在辐射换热的研究中具有重 要的意义，因为黑体吸收或辐射的能力是所有工程材料比较的基准或参照物。辐射换热最重要的是确定实际物体的辐射力。黑度E ）:把实际物体的辐射力E与同温度下的黑体辐射力之比定义为黑 度。g =E/E0（16-3）物体的黑度表示物体辐射力接近黑体辐射力的程度。黑度与温度、物体表面光洁度和氧化程度等因素有关。表面粗糙的物体、被氧化的金属表面有较大的黑度。常用工程材料的黑度由试验确定，也可在手册中查

9、得。由式（16-2）和式（16-3 ）可得实际物体的辐射力E 戕气C 0（*）4 可 / m2（16 -4）*斯蒂芬一波尔兹曼定律只适用于黑体和灰体。灰体：是指对各种波长的投射表现出相同吸收率的物体。灰体的吸收率与波长无关。实验表明，实际物体对不同波长的吸收率并不相 同。但为研究的方便，大多数工程材料在热射线范围内都被允许近似地看作为灰 体。课堂练习题：P147-例16-1二、基尔霍夫定律基尔霍夫定律：热平衡条件下，任何物体的辐射力与吸收率之比值恒等于同 温度下绝对黑体的辐射力，与物体的性质无关。土 =乌=e = EA1A 2A0（16 -5）由式（16-3）和式（16-5）可得“基尔霍夫恒等

10、式”A= 6（16-6）即温度相等的热平衡条件下，物体的吸收率恒等于它的黑度。大多数工程材料可看作为灰体，其吸收率可取用该物体的黑度数值。基尔霍夫定律的意义：说明了物体的辐射力与吸收率之间的关系。物体辐射 力越大，它的吸收率也越大。也就是说，善于辐射的物体，也善于吸收。因为各种物体的吸收率（黑度）恒小于1,所以在任何给定温度下，黑体的辐射力为最大，实际物体的辐射力总是小于/E同温度下黑体的辐射力。一三、兰贝特定律图16 3兰贝特定律兰贝特定律描述的是物体表面的辐射能在空间方向分布的规律。物体向外发出的辐射时向空间一切方向的。如图16-3所示。微元表面dF向外的辐射能分布在半球空间的各个方向。实

11、践证明，辐射能在半球方向不是均匀分布的，而是与方向有关的。各个方向的辐射能分布可用兰贝特定律的数学表达式表示E = E cos 中(16 -7)式中，E 与法线成夹角？的方向上的辐射能；EndF在法线方向上的辐射能。当？ =0时，E = En，表明物体发射的辐射能在法线方向为最大；随着值的增加，发射的能量Ee值按余弦规律而减小；当？ =90时，发射的能量Ee =0，因此，兰贝特定律又称为余弦定律。四、物体间的相对位置对辐射换热的影响物体间的辐射换热不仅与物体的温度、物体的黑度有关，还与物体换热表面 的形状以及物体间的相对位置有关。如图16-4所示两板间的辐射换热在不同位 置的情况。图（a）中，

12、两板平行且距离很近，因此一个表面发射的辐射能几乎全部落 到另一板上，辐射换热量为最大；图（b）中，两板垂直，一个表面发射的辐射能只有一部分落到另一表面上， 换热量较小；图（c）中，一个表面发出的辐射能几乎都无法投射到另一面上去，辐射换 热量几乎为零。T2T1(a)1（b）图16-4相对位置对辐射换热的影响角系数（0）：表面1的辐射能落到表面2上去的百分数称为表面1对表面 2的角系数？弗。角系数的大小取决于物体表面的形状和相对位置，与各表面的温度、黑度无 关。第三节 辐射换热的增强与削弱匹1=1一、遮热板原理由于辐射换热是利用电磁波来传递的，因此只要用任何不透过热射线的薄板 都能有效地削弱辐射的

13、热传递。遮热板：这种能减少辐射换热的板称为遮热板。如图16-5所示，板3即起 到了遮热板的作用。通过计算可知，在两灰体间插入与灰体黑度相同的遮热板，可减少一半的辐 射换热量。同时还可证明，若插入n块与平行板黑度相同的遮热板，在温度不变的情况 下，辐射换热量将减少到原来的1/(n+1)。实际工程中，为了更大的减少辐射换热，多采用黑度较低的金属薄板作为遮 热板。例如，在发射率为0.8的两平行板之间插入一块发射率为0.05的遮热板， 可使辐射换热量减少到原来的1/27。当一块遮热板达不到削弱换热的要求时，可采用多块这热板。二、辐射换热的削弱与增强1.削弱辐射换热应用遮热板削弱辐射换热，在工程上广泛应

14、用。例如，在锅炉的炉门上装有减少辐射热损失的遮热板，可以减少对锅炉工的 热辐射并降低室内环境温度。在测量管道中燃气温度时，在温度计的外面套上遮热套管可以减少测量误 差。在一些高温管道外表包以多层铝箔制作的遮热板，可以减少辐射热损失等 等。此外采用光亮、白色表面可以减少对辐射能的吸收。2 .增强辐射换热煤烟、氧化后的钢板等粗糙表面，吸收率A较大，辐射力也大。由于物体 的辐射力与绝对温度的四次方成正比，因此在高温时，以辐射换热为主。小结：热辐射是通过电磁波向外发射能量的，热辐射的波长在0.41000 m 之间，包括可见光线、近红外线和远红外线。掌握黑体、白体和透明体的特性以及影响吸收和反射的因素。理解热辐射的基本定律。习题：P149-复习题：1、2、3、5。