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1、5.5 辐辐 射射 传传 热热5.5.1 辐射换热基本概念辐射换热基本概念5.1.1 热辐射的本质热辐射的本质5.1.2 热辐射的吸收、反射和透过热辐射的吸收、反射和透过5.1.3 物体的辐射能力物体的辐射能力5.5.2 辐射换热基本定律辐射换热基本定律5.2.1 普朗克定律普朗克定律5.2.2 四次方定律四次方定律5.2.3 兰贝特定律兰贝特定律5.2.4 克希荷夫定律克希荷夫定律5.5 5.5 辐射传热辐射传热5.5.3 物体表面间的辐射换热物体表面间的辐射换热5.3.1 两平行黑体表面组成的封闭体系的辐射换热两平行黑体表面组成的封闭体系的辐射换热5.3.2 两平行灰体表面组成的封闭体系的
2、辐射换热两平行灰体表面组成的封闭体系的辐射换热5.3.3 任意放置的两灰体表面组成的封闭体系间的辐射换热任意放置的两灰体表面组成的封闭体系间的辐射换热5.5.4 气体辐射气体辐射5.4.1 气体辐射特点气体辐射特点5.4.2 气体的黑度气体的黑度5.4.3 火焰的辐射火焰的辐射5.5.5 火焰炉炉膛内的热交换火焰炉炉膛内的热交换5.5.6 综合传热综合传热 5.5 5.5 辐射传热辐射传热5.5.1 辐射换热基本概念辐射换热基本概念热辐射的本质热辐射的本质 辐射是以电磁波为载体传递能量的过程辐射是以电磁波为载体传递能量的过程，不需要任何中间介质，真空中也能进行热量传递。辐射能的载运体是电磁波，
3、根据波长不同，电磁波可分为：5.5 5.5 辐射传热辐射传热可见光（可见光（=0.380.76m）、红外线（）、红外线（=0.76800m）和无线电波（和无线电波（=1000m以上），工业温度范围内以上），工业温度范围内热热辐射最显著的波段是辐射最显著的波段是0.7620m。物体以电磁波（电场和磁场的交替变换）方式向外传递能量的过程称为辐射辐射，被传递的能量称为辐射能辐射能。物体会因多种方式激发电磁波，如果物体由于自身温度或热运动而产生电磁波的传播，则称为热辐射热辐射，物体以热辐射方式进行的能量传递的过程称为辐射传热辐射传热。辐射是一切物体的固有特性，只要物体温度高辐射是一切物体的固有特性，只
4、要物体温度高于绝对零度，就会不断地向外辐射能量于绝对零度，就会不断地向外辐射能量。物体辐射的能量随着物体温度高低而不同物体辐射的能量随着物体温度高低而不同，不仅高温物体向外辐射能量，低温物体也向外辐射能量，所以辐射换热就是物体之间相互辐射和吸收的辐射换热就是物体之间相互辐射和吸收的结果结果，只要参与辐射的各物体温度不同，辐射换热只要参与辐射的各物体温度不同，辐射换热的差值就不等于零，最终低温物体得到的热量就是的差值就不等于零，最终低温物体得到的热量就是热交换的差值热交换的差值。热辐射的吸收、反射和透过热辐射的吸收、反射和透过 如图所示，设有一束热射线能量为Q，投射到物体上以后，一部分能量被物体
5、吸收一部分能量被物体吸收，一部分能量一部分能量被反射，另一被反射，另一部分能量透过部分能量透过该物体该物体，按能量平衡关系有:5.5 5.5 辐射传热辐射传热l 当当R=0，D=0，A=1时，落在物体上的全部辐射能都时，落在物体上的全部辐射能都被该物体吸收，这种物体称绝对黑体，简称被该物体吸收，这种物体称绝对黑体，简称黑体黑体。l 当当A=0，D=0，R=1时，落在物体上的全部辐射能完时，落在物体上的全部辐射能完全被该物体反射出去，这种物体称绝对白体，简称全被该物体反射出去，这种物体称绝对白体，简称白白体体。l 当当A=0，R=0，D=1时，落在物体上的辐射能全部透时，落在物体上的辐射能全部透
6、过该物体，这种物体称绝对透明体，简称过该物体，这种物体称绝对透明体，简称透热体透热体。l如果物体如果物体对热辐射射线的反射角等于入射角对热辐射射线的反射角等于入射角，形成，形成镜面反射，这样的物体称为镜面反射，这样的物体称为镜体镜体。注意这里的黑体、白体、透热体与黑色、白色注意这里的黑体、白体、透热体与黑色、白色和透明体的区别；和透明体的区别；大多数工程材料都是不透过热射线的，热射线大多数工程材料都是不透过热射线的，热射线在物体表面很薄的一层内被吸收，薄层的厚度约为在物体表面很薄的一层内被吸收，薄层的厚度约为0.00030.1mm，所以，所以D=0，A+R=1。自然界所有物体的吸收率、反射率、
7、透过率都自然界所有物体的吸收率、反射率、透过率都在在01之间变化，没有绝对的黑体、白体和透热体之间变化，没有绝对的黑体、白体和透热体。绝对黑体模型绝对黑体模型：在空心物体的壁上开一个小孔，：在空心物体的壁上开一个小孔，若小孔的面积小于空心物体内壁面积的若小孔的面积小于空心物体内壁面积的0.6%，所有进，所有进入小孔的辐射热射线，在孔内多次反射以后入小孔的辐射热射线，在孔内多次反射以后99.6%以以上被内壁吸收，此小孔就具有绝对黑体的性质。上被内壁吸收，此小孔就具有绝对黑体的性质。物体的辐射能力物体的辐射能力 发射辐射能的物体，发射辐射能的物体，单位时间内，单位面积向单位时间内，单位面积向半球空
8、间发射的全部波长的辐射能量半球空间发射的全部波长的辐射能量称称辐射能力辐射能力。常用常用E表示，单位为表示，单位为W?m-2。发射辐射能的物体，发射辐射能的物体，单位时间内，单位面积向单位时间内，单位面积向半球空间发射的某一单位波长范围内的辐射能量半球空间发射的某一单位波长范围内的辐射能量称称单色辐射能力单色辐射能力。常用。常用E表示，单位为表示，单位为w?m-2m-1。5.5 5.5 辐射传热辐射传热辐射能力包括发射出去的波长辐射能力包括发射出去的波长=0到到=的一切波长的一切波长的射线，若设的射线，若设E代表波长代表波长到到+范围内的辐射能范围内的辐射能力，则有单色辐射能力。力，则有单色辐
9、射能力。因此，辐射能力与单色辐射能力之间存在关系因此，辐射能力与单色辐射能力之间存在关系 ddlim0EEEd 0 EE5.5.2 辐射换热基本定律辐射换热基本定律普朗克定律普朗克定律 1900年，德国物理学家普朗克（年，德国物理学家普朗克（M.Planck）根据）根据量子理论，揭示了量子理论，揭示了黑体的单色辐射能力与波长和绝对黑体的单色辐射能力与波长和绝对温度之间的规律温度之间的规律，即，即，称为称为Planck定律定律，具体表达式为具体表达式为),(0TfE 12510TCeCE5.5 5.5 辐射传热辐射传热式中式中 为波长，为波长，m；T为温度，为温度，K；C1为普朗克第一常数，为普
10、朗克第一常数，3.74310-16Wm2；C2为普朗克第二常数，为普朗克第二常数，1.43910-2mK；根据公式，普朗克定律根据公式，普朗克定律可以通过可以通过图形直观表达图形直观表达 由图可见由图可见：黑体的辐射光谱是连续的，其波长范黑体的辐射光谱是连续的，其波长范围从围从0；当当=0时，时，E0=0，随波长增加，单色，随波长增加，单色辐射能力增大，当达到某一值时，辐射能力增大，当达到某一值时，E0有一峰值，以有一峰值，以后又逐渐减小；后又逐渐减小；温度越高，曲线峰值越向左移，温度越高，曲线峰值越向左移，当温度达到当温度达到5800K时，峰值对应的波长进入可见光时，峰值对应的波长进入可见光
11、区，峰值对应的波长与绝对温度的关系为：区，峰值对应的波长与绝对温度的关系为：（维恩位移定律维恩位移定律）；）；辐射能力最强的波长范围是辐射能力最强的波长范围是0.7610m，这正是，这正是红外线波长范围，处于工业温度范围红外线波长范围，处于工业温度范围6001400K。km10896.23maxT四次方定律四次方定律黑体的辐射能力为黑体的辐射能力为 040)/(51000d1ed2TcEETc称为称为Stefan-Boltzmann定律，四次方定律定律，四次方定律。0称称为斯蒂芬为斯蒂芬-波尔茨曼常数，波尔茨曼常数，0=5.6710-8 Wm-2K-4。400)100(TCE C0=5.67
12、Wm-2K-4。5.5 5.5 辐射传热辐射传热 四次方定律说明：四次方定律说明：随着温度升高，随着温度升高，物体的辐物体的辐射能力迅速增大，因此高温时辐射传热所占比例很射能力迅速增大，因此高温时辐射传热所占比例很大。大。只要绝对温度不为零，物体就会向外辐射能只要绝对温度不为零，物体就会向外辐射能量，量，对黑体而言，温度确定后，辐射能力只与温度对黑体而言，温度确定后，辐射能力只与温度有关。有关。实际物体的单色辐射能力都小于同温度下黑体实际物体的单色辐射能力都小于同温度下黑体在该波长上的单色辐射能力，把在该波长上的单色辐射能力，把实际物体的辐射能实际物体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比力与
13、同温度下黑体的辐射能力之比称为该物体的称为该物体的黑黑度度。黑度也称。黑度也称辐射率辐射率，表示实际物体的辐射能力接，表示实际物体的辐射能力接近黑体的程度。近黑体的程度。黑度黑度的概念的概念00EEEE物体的物体的黑度是物体的一种物性参数，取决于物体的黑度是物体的一种物性参数，取决于物体的材质，也与物体的温度、表面状态等有关，黑度可材质，也与物体的温度、表面状态等有关，黑度可通过实验测定通过实验测定 如果物体的如果物体的辐射光谱是连续的辐射光谱是连续的，在，在任何温度下任何温度下任何波长的单色辐射能力任何波长的单色辐射能力E与黑体在同一波长的单与黑体在同一波长的单色辐射能力色辐射能力E0之比都
14、是同一数值之比都是同一数值，这种物体称为，这种物体称为灰体灰体。温度变化不大时，灰体的黑度可近似地认为不温度变化不大时，灰体的黑度可近似地认为不随温度而变，因此随温度而变，因此四次方定律也适用于灰体四次方定律也适用于灰体，由此，由此可得到可得到灰体的辐射能力灰体的辐射能力为：为：4400)100()100(TCTCEE黑度黑度的概念的概念兰贝特定律兰贝特定律 四次方定律只说明了一个物体作为辐射源单位表面向半球空间发射的总能量。但究竟有多少能量落在另一个表面上，要考察一下辐射能按空间方向的分布规律，此规律由兰贝特（Lambert）定律阐明。1860年，Lambert根据对黑体的实验发现:2211
15、21 cosrdAdAEdQ兰贝特定律，也称兰贝特定律，也称余定律余定律 5.5 5.5 辐射传热辐射传热克希荷夫定律克希荷夫定律 1859年，德国物理学家年，德国物理学家G.R.Kirchhoff揭示了物揭示了物体体发射辐射能的能力与吸收辐射能的能力发射辐射能的能力与吸收辐射能的能力之间的关系，之间的关系，即物体的吸收率与辐射率（黑度）之间的关系即物体的吸收率与辐射率（黑度）之间的关系:或或 0aEE 0EaE5.5 5.5 辐射传热辐射传热 Kirchhoff定律说明：平衡状态下，定律说明：平衡状态下，任何物体任何物体的辐射能力与吸收率的比值恒等于同温度下黑体的的辐射能力与吸收率的比值恒等
16、于同温度下黑体的辐射能力，与物体的表面性质无关，仅是温度的函辐射能力，与物体的表面性质无关，仅是温度的函数数。表明表明任何物体的黑度都等于它对黑体辐射的吸任何物体的黑度都等于它对黑体辐射的吸收率收率，说明，说明辐射和吸收在本质上是相同的辐射和吸收在本质上是相同的，只是表，只是表现形式不同，即现形式不同，即粒子由高能级向低能级跃迁时向外粒子由高能级向低能级跃迁时向外发射热射线，反之则吸收热射发射热射线，反之则吸收热射线。线。5.5.3 物体表面间的辐射换热物体表面间的辐射换热 两平行黑体表面组成的封闭体系的辐射换两平行黑体表面组成的封闭体系的辐射换热热 如图，两平行的黑体表如图，两平行的黑体表面组成的面组成的封闭体系封闭体系，其温度、，其温度、吸收率和黑度分别为：吸收率和黑度分别为：T1，a1=1=1，T2，a2=2=1 5.5 5.5 辐射传热辐射传热 则则1面辐射的能量面辐射的能量E1落到落到2面被全部吸收，面被全部吸收，2面面辐射的能量辐射的能量E2落到落到1面被全部吸收，则面被全部吸收，则2面得到热量面得到热量为：为：)100()100(4241021TTCEEqwm-2 两平行
