第8章輻射傳熱

第八章

輻射傳熱

RadiationHeatTransfer吳雪梅Telmail：xuemeiw@1強化輻射換熱太陽能集熱板工業(yè)窯爐蔬菜大棚地暖2削弱輻射換熱玻璃鍍膜(LowE玻璃)溫度測量誤差3

§8-1熱輻射的基本概念輻射是熱量傳遞的三種基本方式之一；工農業(yè)生產和日常生活中，有大量的輻射換熱問題。如：鍋爐爐膛、暖氣、太陽能等；強化和削弱輻射換熱。太陽能集熱板地暖工業(yè)窯爐蔬菜大棚強化輻射換熱4輻射(Radiation)：以電磁波傳遞能量的過程。熱輻射(ThermalRadiation)：由于自身溫度或熱運動的原因而激發(fā)產生的電磁波傳播。一、熱輻射的定義及傳熱特點輻射傳熱特點：1.傳遞時不需要介質（熱傳導、熱對流必須通過介質）2.傳遞的方向：高溫低溫3.兩次能量形式的轉化：物體1的熱力學能電磁波能物體2的熱力學能

5Cosmicraysupto410-7mGammarays410-7to1.410-4mX-rays110-5to210-2mUltravioletrays110-2to3.910-4mVisiblelight0.38

to0.76

mInfraredrays0.76,1.5,5.6to1000

mRadioand1000to21010mHertzianwavesHeatrays0.1to100m

二、電磁波譜(Electromagneticspectrum)誤區(qū)：憑物體顏色判斷其對熱射線的吸收能力？6如圖所示，熱輻射，0.1—100μm；可見光，0.38—0.76μm。

地球上大部分物體<2000K0.38-100μm

長波輻射大部分在0.76-20μm

太陽

5762K的黑體在0.2---2μm短波輻射

0.76---20μm為紅外線區(qū)域近紅外線(Nearinfrared)

遠紅外線(Far

infrared)。7三、熱輻射的波粒二向性輻射是電磁波，它就由一般電磁波的共性，即波動性：各種電磁波在介質中傳播的速度等于光速式中：C—

速度

f—頻率

—波長粒子性：光子的能量與頻率成正比式中：h—

普朗克常數(shù)，6.63*10-34J.s8熱輻射的吸收、穿透和反射光輻射:一束光投在一物體上后，一部分被吸收，一部分被反射，還有一部分穿過物體。熱輻射也有同樣的性質。

投射輻射(IncidentradiationorIrradiation)為Q,如圖，其中：吸收：Qα反射：Qρ穿透：Qτ由熱力學第一定律：或：Q9則：吸收比(率)

absorptivity反射比(率)reflectivity穿透比(率)

transmissivity理想化的物體模型：黑體白體透明體（透熱體）灰體10固體、液體：表面輻射特性輻射能進入其表面后，在極短的距離內就被吸收完金屬導體，這個距離只有1微米的量級;大多數(shù)非導電材料，這個距離小于1毫米;而常用工程材料都大于這個數(shù)值（有特例，如玻璃），故可以認為固體和液體的τ=0，于是：

故表面的狀況對輻射的影響至關重要11玻璃：短波輻射<2.5μm，透過率高τ=0

.9；長波輻射>2.5μm，透過率低τ=0。12反射現(xiàn)象也同光一樣，有鏡面反射和漫反射之分，

鏡面反射：入射角=反射角，表面粗糙度<波長

漫反射：表面粗糙度>波長

氣體的輻射和吸收都是在內部進行的，表面形狀則無關緊要。氣體：容積輻射特性當輻射投在氣體上，它幾乎沒有反射能力，故可以認為ρ=0，于是13四、理想輻射模型黑體不是黑色物體黑體，鏡體和透明體并不存在。人工黑體---制造十分接近黑體(內表面6%的小孔，α≈0.996)的模型。黑體如同不可壓流體、可逆循環(huán)等一樣，是一種理想化的研究方法。黑體(perfectblackbody)理想的反射體（perfectreflector)

鏡體(specular)

白體(diffuseperfectreflector)透明體(transparentmedia)14§8-2黑體輻射基本定律

(BlackBodyRadiation)

1.輻射力E

(EmissivePower)：

單位時間內物體的單位表面積向半球空間所有方向發(fā)射出去的全部波長的輻射能量(W/m2)。一、基本概念半球空間：微元面積dA輻射是向著它的上方各個方向的。如在上方做個半球，則dA發(fā)出的輻射能全部要通過這個半球空間，所以我們稱dA以上的空間為半球空間。15(MonochromaticEmissivePowerorSpectralEmissivePower)：

單位面積輻射體在單位時間內向半球空間發(fā)射的波長為λ(+dλ區(qū)間)的能量(W/m2)

。輻射力為曲線下的總面積。如圖光譜輻射力Eλ16平面角：如圖7-6，s為弧長，r為半徑。=s/r（rad）

立體角：如圖7-7，一個半球，在球面上取一個小面積，在這個面積周邊向球心做射線，則這些射線所包圍的空間即為立體角。立體角的度量單位是球面度。θrs平面角定義圖立體角(Solidangle)17立體角可以用平面角表示：即：半圓：半球空間：如圖，在半球上割下一塊微元面積dAc，則dAc對應的立體角為微元立體角Steradian18定向輻射力定向輻射力：

單位時間、物體單位輻射表面、單位立體角內的全部波長的輻射能。19定向輻射強度

(Intensityofradiation)目的：輻射能按方向分布比較基礎：相同的立體角，相同的可見表面積定向輻射強度(Intensityofradiation)：

單位時間、單位可見輻射表面、單位立體角內的全部波長的輻射能。為可見輻射面積。其中：指：在給定輻射方向上看到的發(fā)射輻射能物體的表面積20可見輻射面積的重要性21

(BasicLawforBlackBodyRadiation)黑體：發(fā)射輻射和吸收輻射的能力都最強。黑體輻射的理論是建立在如下幾個基本定律基礎上的，即：普朗克(Plank)定律(1900)

維恩位移(Wien’sdisplacement)定律；(1893熱力學理論得出）

斯忒藩-波爾茲曼(Stefan-Boltzman)定律；（1879實驗，1884熱力學理論）

蘭貝特(Lambert)定律。二：黑體輻射的基本定律22

1.Plank’sLaw(1900)：黑體的輻射實驗前人的工作紫外災變

Plank’sLaw

Ebλ--光譜輻射力,W/m3；

λ--波長,m；

T--黑體熱力學溫度,K；e--自然對數(shù)的底；

c1---第一輻射常量,3.742×10-16W·m2；

c2---第二輻射常量,1.438×10-2m·K。Planck認為黑體以hv為能量單位，不斷發(fā)射和吸收頻率為v的輻射，hv稱為能量子23

1.Plank’sLaw(1900)：黑體的光譜發(fā)射力隨波長連續(xù)變化，曲線下面積對應黑體輻射力；黑體發(fā)射各種波長輻射能的能力不同，存在最大峰值；溫度升高時，黑體發(fā)射輻射的能力增強，且最大波長向短波移動。黑體的發(fā)射光譜24由Planck定律知：Eλ=f(λ,T

)如圖，Eλ有最大值；隨著T

增大

max向左移動2.Wien’sdisplacementLaw

建立了光譜測溫的基礎1893熱力學理論得出，由Plank’sLaw對求導，并令25

如不是黑體，則不完全遵守這個定律，但其變化方向是相同的，例如金屬（鋼錠）：當T<500oC時，沒有可見光，顏色不變；T增大，其顏色分別為暗紅、鮮紅、桔黃和白色。例題8-1試分別計算溫度為2000K和5800K的黑體的最大單色輻射力所對應的波長。解：應用Wien位移定律

T=2000K時

max=2.910-3/2000=1.45mT=5800K時

max=2.910-3/5800=0.50m

常見物體最大輻射力對應的波長在紅外線區(qū)

太陽輻射最大輻射力對應的波長在可見光區(qū)263.Stefan-BoltzmanLaw

1879年Stefan實驗，1884年Boltzman熱力學理論將Plank’sLaw積分即得：

式中：為黑體輻射常數(shù)，其值為5.6710-8

W/(m2·K4)。

為計算高溫輻射的方便，可改寫為：式中，C0為黑體輻射系數(shù)，5.67W/(m2·K4)。黑體的輻射力與熱力學溫度的4次方成正比，計算依據(jù)27黑體輻射函數(shù)某一特定波長段的輻射能量。由Planck定律,黑體在某波長段所發(fā)射的輻射能為：即右圖中的在1和2之間的線下面積。通常用同溫度下的百分數(shù)表示，28

f(T)稱為黑體輻射函數(shù)

(RadiationFunctionorFractionalfunction)

其數(shù)值見教材第277頁表6-1

已知能量份額后，在給定的波段區(qū)間，單位時間內黑體單位面積所輻射的能量可方便地由下式算出：式中，F(xiàn)b（0-1）、

Fb（0-2）分別為波長從0至1和0至2的黑體輻射占同溫度下黑體輻射力的百分數(shù)。能量份額Fb（0-）可以表示為單一變量T的函數(shù)，即29例題8-3試分別計算溫度為1000K、1400K、3000K、6000K時可見光和紅外輻射在黑體總輻射中所占的份額。輻射與顏色的關系：夏天穿白色衣服涼快，因為我們吸收的是太陽輻射(0.2-2m)可見光占比例很大。地球上物體的輻射不同，因溫度低（2000K）以下，多與顏色無關30

黑體的定向輻射強度與方向無關，為漫射表面。

即4.Lambert’sLaw（又稱余弦定律CosineLaw）問題：暖器取暖時與方向有關，太陽輻射與方向有關，是否與Lambert’sLaw相矛盾？將定向輻射強度定義變形，得輻射力人與暖器的距離不變時，d＝const.

dA=const.Iθ=const.角度不同，cosθ不同。當θ=0°時，輻射面獲得的能量最多。區(qū)別：定向輻射強度Iθ

與定向輻射力EθLambert’sLaw的另一種表述：定向輻射力隨方向角按余弦規(guī)律變化，法線方向的定向輻射力最大。31輻射力與定向輻射強度的關系：在半球空間上即單位時間、單位表面積在半球空間發(fā)射的全部波長的輻射能，即輻射力：(4).EmissivePowerandIntensityofRadiation

d()

/dA

為

方向d內單位面積輻射能。對于漫射表面，半球空間的輻射力是任意方向定向輻射強度的π倍。32§8-3

實際固體和液體的輻射特性1.特性

Eλ=f(λ,T)不規(guī)則

Eλ<Ebλ

不嚴格遵守LambertLaw33實際物體輻射力并不嚴格的遵守四次方定律現(xiàn)行的處理方法是將所有物體的輻射力取與絕對溫度的四次方成正比，而將由此引起的誤差放到黑度中修正。2)實際物體的輻射力發(fā)射率(黑度,Emissivity)34發(fā)射率(黑度,Emissivity)光譜發(fā)射率（光譜黑度）(SpectralEmissivity)定向發(fā)射率光譜定向發(fā)射率35定向發(fā)射率(定向黑度，DirectionalorangularEmissivity)

實際物體輻射不嚴格遵守Lambert'sLaw,為表述這一特性，如果I(θ,)與無關（實際情況常常如此），則36金屬θ，(θ)

然后37非電導體θ(θ)(90)=0

與金屬相反光譜定向黑度(SpectralDirectionalEmissivity)38影響ε的因素有：物質種類：非金屬0.9左右，金屬0.2以下；書P333附錄9表面狀況：鋁一般0.2，高度磨光0.05；表面溫度：ε=ε(T)，Eb=Eb(T)。

即：ε只與本身情況有關，可由實驗測定。實際物體黑度的確定復雜，使用法向黑度將實際表面近似為漫射表面（符合Lambert'sLaw）高度磨光的金屬表面其它光滑表面表面粗糙物體392.灰體物體光譜輻射力與同溫度下黑體光譜輻射力隨波長的變化曲線相似；換言之：光譜發(fā)射率(吸收率)不隨波長發(fā)生變化；灰體是理想化的物體，工程上許多物體近似服從灰體模型。40

2.光譜(單色)吸收比(MonochromaticAbsorptivity)1.吸收比(TotalAbsorptivity)物質種類表面狀況表面溫度影響的因素本身情況投入輻射§8-4實際物體的吸收比與基爾霍夫定律因此，發(fā)射率是物體的熱物性參數(shù)，而吸收比不是。41()的實測值4243()

和Eb

已知，利用上式做數(shù)值積分，即可得到。右圖就是這樣做出的很復雜投射輻射來自黑體時的44dA1為實際物體，放在黑體半球空腔中心當系統(tǒng)處于熱平衡時，dA1的吸熱量=放熱量dA1單位時間、向給定方向、在微元波長內的放熱量：其中，4、基爾霍夫定