传热学第5章 辐射换热-32学时

1、第五章 辐射换热(Radiation Heat Transfer) 5.1辐射的基本概念 一、辐射的本质 辐射物体通过电磁波传递能量的过程 热辐射是由于物体内部微观粒子的热运动状态改变时，而将部分内能转变成电磁波的能量发射出去的过程。热辐射的三大特点 可以在真空中传播； 能量形式在传播过程中发生了变化 一切物体只要温度大于0K，就会不停地发射热射线。 5.1辐射的基本概念 由于起因不同，物体发射电磁波的波长也不同，可分为： 5.1辐射的基本概念 由于起因不同，物体发射电磁波的波长也不同，可分为： 0.38m 紫外线、X射线、射线 0.380.76m 可见光 0.761000m 红外线 0.76

2、4m 近红外 41000m 无线电波 热辐射的波段=0.1100m 5.1辐射的基本概念 热辐射具有一般辐射现象的共性，以光速传播： cc ：电磁波的传播速度，3108m/s：频率1/s ：波长m辐射的本质极其传播过程除了用电磁波理论来说明外，对有些现象 还需进一步用量子理论来解释。即：辐射的本质既具有波动性，又具有粒子性。辐射的粒子性表明：辐射是离散的量子化能量束， 是光子传播能量的过程。 光子的能量e与频率的关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辐射的基本概念 投入辐射: 单位时间内投射到单位面积物体表面上的全波长范围内的辐射能。G W

3、/m2 吸收比 反射比透射比 根据能量守恒，二、吸收率、反射率、穿透率 5.1辐射的基本概念 注意： （1） 属于物体的辐射特性，取决于物体的种类、温度和表面状况，是波长的函数。 不仅取决于物体的性质，还与投射辐射能的波长分布有关。 （2）固体和液体对辐射能的吸收和反射基本上属于表面效应：金属的表面层厚度小于1m；绝大多数非金属的表面层厚度小于1mm。 （3）对于固体和液体， 。二、吸收率、反射率、穿透率 5.1辐射的基本概念 注意： 镜反射与漫反射： 产生何种反射取决于物体表面的粗糙程度和投射辐射能的波长 。黑体模型及其重要性5.1辐射的基本概念 对于黑体： 镜体或白体：透明体：111人工黑

4、体：空腔上的小孔接近于黑体。白天从 远处看房屋的窗户有黑洞洞的感觉。1889年O.lummer等测定了黑体辐射光谱能量分布的实验数据。1879年J.Stefan根据实验数据确立了黑体辐 射力正比绝对温度的四次方规律。1884年L.Boltzmann从理论上证实了上述定律。1896年Wien位移定律。19世纪末L.Rayleigh-J.H.Jeans公式。三、辐射换热的发展历程1900年M.Planck定律。JOSEF STEFAN1835-1893 Austrian physicist Ludwig Boltzmann 1844 -1906 Italy physicist Wilhelm Wi

5、en 1864 -1928 Germany physicist Lord Rayleigh 1842 -1919 England physicist Max Planck 1858 -1947 Germany physicist 5.1辐射的基本概念 l单色辐射强度Rayleigh-Jeans公式5.1辐射的基本概念 5.2黑体辐射的基本定律 5.2黑体辐射的基本定律 5.2黑体辐射的基本定律 5.2黑体辐射的基本定律 5.2黑体辐射的基本定律 5.2黑体辐射的基本定律 对服从兰贝特定律的辐射，可以得到：说明：单位时间、单位面积发出的辐射能，落到不同空间单位立体角内的数量不同，其数值正比于该方

6、向与辐射表面法线方向夹角的余弦，故又称兰贝特定律为余弦定律。定向辐射强度L与辐射力Eb之间的关系为：5.2黑体辐射的基本定律 黑体的辐射力由斯第芬-波尔兹曼定律确定，辐射力 正比于热力学温度的四次方；黑体辐射能量按波长的分布服从普朗克定律，按空间方向 的分布服从兰贝特定律；黑体的光谱辐射力有个峰值，与此峰值相对应的波长尤维 恩位移定律确定，随着温度的升高，峰值波长向波长短的 方向移动。5.2黑体辐射的基本定律 5.3 两无限大黑体平板间的辐射换热 5.4 实际物体的辐射与吸收 如严重氧化的铝50 500 5.4 实际物体的辐射与吸收 eqeqeqeq5.4 实际物体的辐射与吸收 5.4 实际物

7、体的辐射与吸收 (光谱吸收率)5.4 实际物体的辐射与吸收 5.4 实际物体的辐射与吸收 5.4 实际物体的辐射与吸收 例子：实际物体与黑体间的辐射换热。当处于热平衡时得到：5.5基尔霍夫定律5.5基尔霍夫定律5.5基尔霍夫定律例题 温度为310K的4个表面置于太阳光的照射下，设此时各表面的光谱吸收比随波长的变化如图所示。试分析在计算与太阳能的热交换时，哪些表面可以看作灰体处理？为什么？5.6无限大灰体间辐射换热特性T1,a1,e1T2,a2,e25.6无限大灰体间辐射换热特性离开任意实际表面的热流： 两无限大灰体间的辐射换热热流： J1(1-a2)a2 J1E2E1J2J2(1-a1)a1

8、J2J15.7 漫射表面间的角系数5.7 漫射表面间的角系数5.7 漫射表面间的角系数5.7 漫射表面间的角系数A1A2A1A2acdb5.7 漫射表面间的角系数12125.7 漫射表面间的角系数5.8 灰表面间的辐射换热 12125.8 灰表面间的辐射换热 （相当于无限大平板）（室内电炉子、热电偶测温）5.8 灰表面间的辐射换热 例：三个灰表面间的辐射换热重辐射表面对封闭腔内辐射换热的影响重辐射表面的温度辐射换热的强化与削弱问题电暖器及电炉取暖问题太阳能热水器问题冬天洗澡问题植物结霜问题提高热电偶测温精度问题5.8 灰表面间的辐射换热 已知一个正四面体，每面面积为2m2。其中两个面为黑体，温度分别为1200K和500K，另两个面为黑度0.8的灰体并绝热。求两个黑体表面间的辐射换热热流及另两个绝热面的温度。5.9 气体辐射 5.9 气体辐射 5.9 气体辐射 5.9 气体辐射 5.9 气体辐射 5.9 气体辐射 是气体在总压力为一个大气压下由实验得到的黑度，以水蒸气或二氧化碳的分