46辐射传热.docVIP

知识点4－6 辐射传热 【学习指导】 1．学习目的 作为一种基本的传热方式，要理解辐射传热的基本概念和相关定律，掌握两物体间辐射传热的速率方程，并了解对流－辐射联合传热。 2．本知识点的重点 两固体间的辐射传热速率方程及其应用。 3．本知识点的难点 辐射传热的基本概念和定律，影响辐射传热速率的影响因素。 4．应完成的习题 4-18 两平行的大平板，在空气中相距5mm，一平板的黑度为0.1，温度为350K；另一平板的黑度为0.05、温度为300K。若将第一板加涂层，使其黑度为0.025，试计算由此引起的传热通量改变的百分率。假设两板间对流传热可以忽略。 4-19 在ф180×5mm的蒸汽管道外包扎一层导热系数为0.10w/(m.。℃)的保温材料，管内饱和蒸汽温度为127℃，保温层外表面温度不超过35℃，周围环境温度为20℃，试估算保温层的厚度。假设管内冷凝传热和管壁热传导热阻均可忽略。 物体以电磁波方式传递能量的过程称为辐射，被传递的能量称为辐射能。物体可由不同的原因产生电磁波辐射，其中因热的原因引起的电磁波辐射，即是热辐射。热辐射的机理可定性地描述如下：当向一固体供给能量时，其中的某些分子和原子被提升到“激发态”，而原子或分子有自发地回到低能态的趋势。此时，能量就以电磁波辐射的形式发射出来。 热辐射和光辐射的本质完全相同，所不同的仅仅是波长的范围。理论上热辐射的电磁波波长的范围从零到 ，但是具有实际意义的波长范围为0.4~20 ,这包括波长范围为0.4~0.8 的可见光线和波长范围为0.8~20 的红外光线，二者统称为热射线，不过后者对热辐射起决定作用，而前者只有在很高的温度下其作用才明显。 热射线和可见光线一样，都服从反射和折射定律，在均匀介质中作直线传播，在真空和大多数气体中可以完全透过，但不能透过工业上常见的大多数固体或液体。 一、基本概念和定律 如图片4-31所示，假设投射在某一物体上的总辐射能量为Q，其中有一部分能量QA被吸收，一部分能量QR被反射，另一部分能量QD透过物体。根据能量守恒定律，可得 【图片4-31】辐射能的吸收、反射和透过。 （4-94） 即 （4-94a） A+R+D=1 （4-94b） 式中 A ———物体的吸收率，无因次； ———物体的反射率，无因次； ———物体的透过率，无因次。 （一）黑体、镜体、透热体和灰体 能全部吸收辐射能的物体，即A 的物体，称为黑体或绝对黑体。能全部反射辐射能的物体，即 的物体，称为镜体或绝对白体。能透过全部辐射能的物体，即 的物体，称为透热体，一般单原子气体和对称的双原子气体（如He、O2、N2和H2等）均可视为透热体。黑体和镜体都是理想物体，实际上并不存在。但是某些物体，如无光泽的黑漆表面，其吸收率约为0.97，接近于黑体；磨光的金属表面的反射率约等于0.97，接近于镜体，引入黑体等的概念，只是作为实际物体的比较标准，以简化辐射传热的计算。 物体的吸收率A、反射率R和透过率D的大小取决于物体的性质、表面状况及辐射线的波长等。一般来说，固体和液体都是不透热体，即 ，故A 。气体则不同，其反射率 ，故A 。某些气体只能部分地吸收一定波长范围的辐射能。 能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体，称为灰体。灰体也是理想物体，但是大多数工业上常见的固体材料均可视为灰体。灰体有如下特点： （1）它的吸收率A与辐射线的波长无关； （2）它是不透热体，即A 。 （二）物体的辐射能力E 物体在一定温度下，单位表面积，单位时间内所发射的全部波长的辐射能，称为该物体在该温度下的辐射能力，以E表示，单位为 。因之，辐射能力表征物体发射辐射能的本领。在相同条件下，物体发射特定波长的能力，称为单色辐射能力，用EΛ表示。其定义为辐射能力随波长的变化率，即 （4-95） 式中 Λ———波长，m或 ； EΛ———单色辐射能力，w/m3。 若用下标b 表示黑体，则黑体辐射能力和单色辐射能力分别用Eb 和EbΛ表示，于是 （4-96） 二、普朗克定律、斯蒂芬—玻尔兹曼定律及克希霍夫定律 （一）普朗克（planck）定律 普朗克定律揭示了黑体的单色辐射能力EbΛ随波长变化的规律，其表达式为 (4-97） 式中 T———黑体的绝对温度，K； e———自然对数的底数； C1———常数，其值为 ； C2———常数，其值为 。 式4-97称为普朗克定律，图片4-32为由该式得到的EbΛ随波长Λ的变化曲线。 【图片4-32】黑体的单色辐射能力随温度及波长的分布规律曲线。 由图可见，每一温度均有一条能量分布曲线，在指定的温度下，黑体辐射各种波长的能量是不同的。当温度不太高时，辐射能主要集中在波长为0.8~10 的范围内。 （二）斯蒂芬（Stefan）－玻尔兹曼（Boltzma