6.5熱輻射1a6.5熱輻射6.5.1熱輻射的概念6.5.2固體輻射6.5.3物體間的輻射傳熱6.5.4氣體輻射2a6.5.1熱輻射的概念任何物體，只要絕對溫度不是零度，都會不停地以電磁波的形式向外界輻射能量。同時，又不斷吸收來自其他物體的輻射能。當(dāng)物體向外界輻射的能量與其從外界吸收的能量不相等，該物體與外界就產(chǎn)生熱量的傳遞。這種傳遞方式稱為熱輻射。熱輻射可以在真空中傳播，不需要任何介質(zhì)。氣體熱輻射與液體、固體不同，因為氣體可以深入氣體內(nèi)部。6.5熱輻射3a6.5.2固體輻射黑體的輻射能力和吸收能力—斯蒂芬-波爾茲曼定律實際物體的輻射能力和吸收能力灰體的輻射能力和吸收能力—克希荷夫定律6.5熱輻射4a黑體的輻射能力和吸收能力

—斯蒂芬-波爾茲曼定律熱輻射的波長范圍熱輻射的波長位于～1000μm間，大局部能量集中于紅外線區(qū)段，波長在～20μm范圍內(nèi)。輻射能的反射、穿透和吸收與光一樣，輻射能可以反射、穿透和吸收，如圖6-28所示。其能量間的關(guān)系為Q=Qa+Qr+QdQa、Qr、Qd與總能量Q的比值稱該物體對投入輻射的吸收率a、反射率r和穿透率d。那么上式可寫為：a+r+d=16.5.2固體輻射圖6-28輻射能的反射、穿透和吸收5a黑體的輻射能力和吸收能力

—斯蒂芬-波爾茲曼定律固體、液體穿透率為零，氣體反射率為零。黑體：吸收率等于1的物體稱絕對黑體，簡稱黑體。實際物體可以接近黑體，但沒有絕對黑體。熱透體：穿透率等于1的物體。氣體接近熱透體。鏡面體：反射率等于1的物體。鏡子接近鏡面體。黑體的輻射能力即單位時間單位黑體外外表積向外界輻射的全部波長的總能量，服從斯蒂芬-波爾茲曼定律。記6a黑體的輻射能力和吸收能力

—斯蒂芬-波爾茲曼定律Eb=σ0T4為了方便，將上式改變?yōu)椋害?為黑體輻射常數(shù)，σ0=5.67×10-8W/〔m2·K4〕。C0為黑體輻射系數(shù)，C0〔m2·K4〕。溫度對輻射傳熱非常敏感。記(6-78)7a例6-10

溫度對物體輻射能力的影響試計算外表溫度為0℃和546℃時黑體的輻射能力，并進(jìn)行比較。解：0℃輻射能力546℃時黑體的輻射能力8a實際物體的輻射能力和吸收能力實際物體的輻射能力E恒小于黑體的輻射能力Eb。實際上不同物體在相同溫度下的輻射能和按波長的分布規(guī)律也不同。黑度：實際物體的輻射能與相同溫度下黑體的輻射能的比值，稱物體的黑度，用ε表示。實際物體的輻射能力E可用下式表示：6.5.2固體輻射記9a實際物體的輻射能力和吸收能力影響黑度的因素：與物體的外表溫度、物體的種類和外表狀況有關(guān)，只與輻射物體本身有關(guān)，與外界無關(guān)。常見物體的黑度見表6-4。實際物體的吸收能力：黑體將投其上的輻射能全部吸收。實際物體對不同波長的輻射能呈現(xiàn)出一定的選擇性，即對不同波長的輻射能吸收程度不同。圖6-29為白瓷磚和玻璃對不同波長的輻射能的吸收能力。10a表6-4常見材料外表的黑度ε值11aTheend12a圖6-29白瓷磚和玻璃對不同波長輻射能的吸收能力13a灰體的輻射能力和吸收能力

—克希荷夫定律黑體對各種波長的輻射能全部吸收，但實際物體的吸收率與投入有波長有關(guān)，即物體對不同波長的輻射能有選擇性的吸收。對于波長在～20μm的輻射能，大多數(shù)材料的吸收率隨波長的變化不大，把實際物體當(dāng)作對各種波長輻射能均能同樣吸收的理想物體，這種理想物體稱為灰體?？讼：煞蚨烧J(rèn)為，同一灰體的吸收率與其黑度在數(shù)值上是相等的，即ε=α。即對投入輻射能的吸收率可用其黑度表示。也可以用下式表示

E=αEb=εEb但灰體是理想化的處理，對工業(yè)輻射能的計算是可以的。如果是太陽光，物體對可見光呈現(xiàn)強(qiáng)烈選擇性。6.5.2固體輻射14a6.5.3物體間的輻射傳熱黑體間的輻射傳熱和角系數(shù)灰體間的輻射傳熱封閉體系輻射傳熱大面積平板體系的輻射傳熱內(nèi)包物體的輻射傳熱影響輻射傳熱的主要因素

輻射給熱系數(shù)

6.5熱輻射15a黑體間的輻射傳熱和角系數(shù)圖6-30為任意放置的兩個黑體外表，其面積分別為A1和A2，外表溫度分別為T1和T2不變。由圖可見，黑體1向外輻射的能量只有一局部Q1→2投射到黑體2并被吸收。同樣黑體2向外輻射的能量只有一局部Q2→1投射到黑體1并被吸收。于是兩黑體間傳遞的熱流量為Q12=Q1→2-Q2→16.5.3物體間的輻射傳熱16a圖6-30兩黑體間的相互輻射17a黑體間的輻射傳熱和角系數(shù)根據(jù)藍(lán)貝特定律將上式簡化為

稱為黑體1對黑體2的角系數(shù)，其值為外表1的全部輻射能中，直接投射到黑體2的量所點人比例。18a黑體間的輻射傳熱和角系數(shù)角系數(shù)是一個純幾何因素，其值為同理19a黑體間的輻射傳熱和角系數(shù)即于是20a黑體間的輻射傳熱和角系數(shù)由于角系數(shù)的計算不方便，工業(yè)上把角系數(shù)繪成曲線，見圖6-31和圖6-32所示。如果兩平板面積相等且很大，那么角系數(shù)均為1。即那么Q12=Eb1–Eb221a圖6-31兩平行平板間的角系數(shù)22a圖6-32兩平行圓盤間的角系數(shù)23a灰體間的輻射傳熱設(shè)任意放置的兩個灰體1和2，其面積分別為A1和A2，外表溫度分別為T1和T2不變。兩灰體外表的輻射能力和吸收率分別為E1、E2和α1、α2。6.5.3物體間的輻射傳熱24a灰體間的輻射傳熱灰體1單位時間內(nèi)的輻射總能量為A1E1，其中一局部直射到灰體2上，其余散失。而投射到2的能量，局部吸收。反射，其中又投射到灰體1上。這一能量局部被灰體1吸收，而其余局部再次被反射。同樣被1反射的能量投射到2上局部吸收局部反射，如此過程不斷進(jìn)行，直到消弱。25a灰體間的輻射傳熱從灰體2輻射總能量為A2E2，也經(jīng)歷了相同的過程。單位時間單位面積離開灰體的總輻射能為E效，單位時間單位面積投入灰體的總輻射能為E入。物體有效輻射為灰體本身E和對投入輻射的反射局部，如圖6-33所示。即為E效=E+〔1-α〕E入26a圖6-33有效輻射示意圖27a灰體間的輻射傳熱從圖6-33平面1可見，灰體凈損失的能量Q/A為Q/A=E—αE入稍離灰體外表2作能量衡算，那么有Q/A=E效—E入從上式中消去E入得28a灰體間的輻射傳熱這樣灰體1和灰體2之間所交換的凈能量為：29a封閉體系輻射傳熱如果考察的對象是由兩個灰體組成的與外界無輻射能交換的封閉體系，那么有Q12=Q1=-Q2而6.5.3物體間的輻射傳熱30a封閉體系輻射傳熱或其中εs為系統(tǒng)黑度，由兩物體的角系數(shù)及黑度組成。

31a大面積平板體系的輻射傳熱對于兩塊相距很近而面積足夠大的平行板，，那么6.5.3物體間的輻射傳熱32a內(nèi)包物體的輻射傳熱對于如圖6-34所示的內(nèi)包系統(tǒng)，內(nèi)包物體具有凸外表，那么6.5.3物體間的輻射傳熱33a圖6-34內(nèi)包系統(tǒng)的輻射34a內(nèi)包物體的輻射傳熱當(dāng)A1≈A2，相當(dāng)于無限大平行平板計算。當(dāng)外表積A2遠(yuǎn)大于A1，上式為上式在計算時有實用意義，因為它不需要知道外表積A2和黑度ε2即可進(jìn)行傳熱計算。常見的大房間高溫管道輻射傳熱，氣體管道內(nèi)熱電偶測溫都屬于這種情況。6.5.3物體間的輻射傳熱35a例6-11

熱電偶的測溫誤差用裸露的熱電偶測得管內(nèi)氣體溫度為T1=927K。管壁溫度為713K，熱電偶外表的黑度ε1，氣體對熱電偶的對流給熱系數(shù)α=50W/(m2·K)。試求管內(nèi)氣體的真實溫度和測溫誤差。如果采用遮熱罩抽氣式熱電偶〔圖6-35〕，黑度ε2，氣體對熱電偶的對流給熱系數(shù)α=90W/(m2·K)。那么熱電偶的指示溫度。36a圖6-35例6-11符圖37a解：〔1〕因為A2＞A1，在定態(tài)條件下，熱電偶的輻射散熱和氣體對熱電偶的對流傳熱相等：Tg=1082K38a〔2〕設(shè)遮熱罩外表溫度為T2，那么氣體傳給遮熱罩內(nèi)外外表的傳熱速率為解出T2=1009K。39a熱電偶對遮熱罩輻射散熱和氣體對熱電偶的對流傳熱相等：解出熱電偶的指示溫度為T1=1045K。40a影響輻射傳熱的主要因素〔1〕溫度的影響在低溫下，溫度的影響可不計；在高溫下，溫度的影響那么不容無視，甚至是主要的?！?〕幾何位置的影響角系數(shù)對兩物體輻射傳熱有重要影響，角系數(shù)決定兩輻射外表的方位和距離，實際上決定一個外表對另一個外表的投射角。見圖6-36所示?！?〕外表黑度的影響當(dāng)物體的相對位置一定，系統(tǒng)黑度只與外表黑度有關(guān)。通過改變外表黑度的方法可以強(qiáng)化或減弱輻射傳熱。外表涂油漆或鍍銀、鋁等?！?〕輻射外表間的介質(zhì)影響兩外表間的介質(zhì)為氣體，氣體同樣具有發(fā)射和吸收輻射能的能力，因此氣體的存在必影響物體的輻射傳熱。6.5.3物體間的輻射傳熱41a圖6-36輻射的投射角42a例6-12

輻射傳熱遮熱板的作用室內(nèi)有一高為、寬為1m的鑄鐵爐門，黑度ε1為，外表溫度為600℃，室溫27℃。試計算：〔1〕爐門輻射傳熱的熱流量；〔2〕假設(shè)在爐門前很近距離平行放置一塊同樣大小的鋁質(zhì)遮熱板，其黑度ε2為，那么滬門與遮熱板的輻射熱流量為多少。43a解：〔1〕爐門被空氣包圍，即A1/A2≈044a〔2〕設(shè)鋁板溫度為T3，那么鋁板與爐門間的傳熱速率為45a遮熱板與四周墻壁間的傳熱為在定態(tài)傳熱時，Q32=Q13，求出T3=733K，Q13=1193W。46a輻射給熱系數(shù)當(dāng)輻射與對流同時存在的傳熱場合，常將輻射傳熱統(tǒng)一用牛頓冷卻定律表示，輻射傳熱的給熱系數(shù)為

6.5.3物體間的輻射傳熱47a輻射給熱系數(shù)對于化工設(shè)備或管道在大房間內(nèi)散熱時，εS=ε1，。當(dāng)對流給熱的溫差也是〔T1-T2〕時，那么總熱流密度為qt=qc+qR=〔αC+αR〕〔T1-T2〕=αt〔T1-T2〕48a例6-13

對流與輻射聯(lián)合給熱的計算外徑為的過熱蒸汽管橫穿過大房間，管壁溫度為450℃，管壁的黑度為。假設(shè)室內(nèi)空氣和墻壁的溫度均為50℃，管壁和空氣間的自然對流給熱系數(shù)為〔m2·℃〕，試求單位管長的熱損失。49a解：T1=723K，T2=323K，εs=1，=0.8×1×5.67×(7233+7232×323+723×3232+3233)×10-8=29.8W/〔m2·℃〕單位管長的熱損失為Q/L=πdαt〔T1-T2〕=3.14×0.3×(7.7+29.8)×(723-323)=1.41×104W/m50a6.5.4氣體輻射氣體輻射和吸收對波長有強(qiáng)烈選擇性氣體輻射是一個容積過程6.5熱輻射51a

氣體輻射氣體輻射也是工業(yè)中常見的現(xiàn)象。在加熱爐中，高溫氣體與管壁或設(shè)備壁面之間的傳熱過程包括對流和輻射給熱。如果溫度較高，氣體與固體壁間的輻射給熱是不可忽略的。對于氣體，如果是對稱的雙原子分子，如O2、H2、N2等無輻射能力也無反射能力。不對稱的雙原子分子和多原子分子一般具有輻射能力和反射能力。52a氣體輻射和吸收對波長有強(qiáng)烈選擇性固體能夠吸收和輻射各種波長的輻射能，但氣體對各種波長的輻射能有選擇性的吸收和輻射，因此氣體不能作為灰體處理。例如水，只能吸收和輻射波長為～、～、12～30μm三個波長范圍的輻射能。氣體的吸收能力與氣體本身有關(guān)，還與外來輻射能波長有關(guān)。氣體的吸收率ag與氣體的黑度εg不相等。但氣體的輻射能力Eg仍可用黑度εg來表征。6.