传热学 第五章 辐射换热(Radiation Heat Transfer)

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人工黑体

4、：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。5.1辐射的基本概念 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。辐射换热的发展历史1900年M.Planck定律。JOSEF STEFAN1835-1893 Austrian physicist Ludwig Boltzmann 1844 -1906 Italy physicist Wi

5、lhelm Wien 1864 -1928 Germany physicist Lord Rayleigh 1842 -1919 England physicist Max Planck 1858 -1947 Germany physicist 太阳能利用的简述太阳可说是地球上最大的能源，太阳光每天到达地面的能量约为全世界石油蕴藏量的1/4，且又不会产生环境污染。由于化石燃料的价格猛增和环境压力的需求，太阳能目前成为新一代最具发展潜力的能源产业。 5.1辐射的基本概念 太阳能的利用方式光热利用 将太阳辐射能收集起来，转换热能加以利用。目前使用的太阳能收集装置，主要有平板型集热器、真空管集热器和

6、聚焦集热器等3种。 太阳能发电 光热电转换。 光电转换。 光化利用 直接分解水制氢 光生物利用 5.1辐射的基本概念 5.1辐射的基本概念 小作业1：观察生活中的一些现象，提出若干个可以应用太阳能的设想。（如便携式充电。）2：通过互联网检索，画出一张热电“光热电”转换的结构图。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 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，其数值正比于该方向与辐射表面法线方向夹角的余弦，故又称兰贝特定

7、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 5.3 两无限大黑体平板间的辐射换热 （光谱发射率）5.4 实际物体的辐射与吸收 eqeqeqeq5.4 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 (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

8、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5.7 漫射表面间的角系数5.7 漫射表面间的角系数A1A2A1A2acdb12125.7 漫射表面间的角系数125.8 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.

9、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 臭氧是在大气中产生的一种气体。平流层中的氧气在太阳紫外辐射下发生反应生成臭氧。臭氧分子由三个氧原子组成。 太阳射线包含一定的紫外成分。紫外辐射的波长范围从100nm到400nm，可分为三个波段：UV-A（315-400nm），UV-B（280-315nm）和UV-C（100280nm）。阳光穿过大气层时，UV-C无法通过，UV-B只能通过约10%。它们主要被臭氧吸收。大气层对UV-A几乎没有影响。因此到达地表的紫外线主要由UV-A和少量UV-B组成。大气中臭氧浓度的降低导致UV-B水平的升高。近年来，臭氧层受

10、到氟氯代烷等气体的破坏，这种现象已引起人们的普遍关注，并采取各种措施，减少并逐步停止氟氯代烷等的生产和使用，保护臭氧层。 5.9 气体辐射 温室效应 温室效应(英文：Greenhouse effect)，是大气保温效应的俗称。大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表向外放出的长波热辐射线却被大气吸收，这样就使地表与低层大气温度增高。自工业革命以来，人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，已引起全球气候变暖等一系列严重问题，引起了全世界各国的关注。 5.9 气体辐射 温室效应 温室效应对环境的影响：1：气候转变：全球变暖 赤道和热带地区几乎不升温，升温主要集中在高纬度地区 。2：地球上的病虫害增加 3：海平面上升4：气候反常，海洋风暴增多 5：土地干旱，沙漠化面积增大 人类的对策1：增加碳吸收（保护森林，植树等） 2：减少碳排放（汽车尾气，可再生能源替代化学能等）5.9 气体辐射 5.9 气体辐射 5.9 气体辐射 xL5.9 气体辐射 贝尔定律式中，L是辐射通过的路程长度，常称之为射线程长。从上式可知，热辐射在气体内呈指数规律衰