第5章 辐射传热

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1、5.5辐射传热5.5.1辐射换热基本概念5.1.1热辐射的本质5.1.2热辐射的吸收、反射和透过5.1.3物体的辐射能力5.5.2辐射换热基本定律5.2.1普朗克定律5.2.2四次方定律5.2.3兰贝特定律5.2.4克希荷夫定律5.5辐射传热5.5.3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5.3.2两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5.5.4气体辐射5.4.1气体辐射特点5.4.2气体的黑度5.4.3火焰的辐射5.5.5火焰炉炉膛内的热交换5

2、.5.6综合传热5.5辐射传热5.5.1辐射换热基本概念热辐射的本质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，根据波长不同，电磁波可分为：5.5辐射传热可见光（λ=0.38~0.76µm）、红外线（λ=0.76~800µm）和无线电波（λ=1000μm以上），工业温度范围内热辐射最显著的波段是0.76~20μm。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，被传递的能量称为辐射能。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

3、的传播，则称为热辐射，物体以热辐射方式进行的能量传递的过程称为辐射传热。辐射是一切物体的固有特性，只要物体温度高于绝对零度，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，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结果，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热交换的差值。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，一部分能量被物体吸收，一部分能量被反射，另一部分能量透过该物体，按能量平衡关系有:

4、5.5辐射传热当R=0，D=0，A=1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，简称黑体。当A=0，D=0，R=1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，简称白体。当A=0，R=0，D=1时，落在物体上的辐射能全部透过该物体，这种物体称绝对透明体，简称透热体。如果物体对热辐射射线的反射角等于入射角，形成镜面反射，这样的物体称为镜体。注意这里的黑体、白体、透热体与黑色、白色和透明体的区别；大多数工程材料都是不透过热射线的，热射线在物体表面很薄的一层内被吸收，薄层的厚度约为0.0003～

5、0.1mm，所以D=0，A+R=1。自然界所有物体的吸收率、反射率、透过率都在0~1之间变化，没有绝对的黑体、白体和透热体。绝对黑体模型：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0.6%，所有进入小孔的辐射热射线，在孔内多次反射以后99.6%以上被内壁吸收，此小孔就具有绝对黑体的性质。物体的辐射能力发射辐射能的物体，单位时间内，单位面积向半球空间发射的全部波长的辐射能量称辐射能力。常用E表示，单位为Wm-2。发射辐射能的物体，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称单色辐射能力。常用

6、Eλ表示，单位为wm-2µm-1。5.5辐射传热辐射能力包括发射出去的波长λ=0到λ=∞的一切波长的射线，若设△E代表波长λ到λ+△λ范围内的辐射能力，则有单色辐射能力。因此，辐射能力与单色辐射能力之间存在关系5.5.2辐射换热基本定律普朗克定律1900年，德国物理学家普朗克（M.Planck）根据量子理论，揭示了黑体的单色辐射能力与波长和绝对温度之间的规律，即，称为Planck定律，具体表达式为5.5辐射传热式中λ为波长，µm；T为温度，K；C1为普朗克第一常数，3.743×10-16W·m2；C2为普朗克第二常数，1.439×

7、10-2m·K；根据公式，普朗克定律可以通过图形直观表达由图可见：①黑体的辐射光谱是连续的，其波长范围从0~∞；②当λ=0时，E0λ=0，随波长增加，单色辐射能力增大，当达到某一值时，E0λ有一峰值，以后又逐渐减小；③温度越高，曲线峰值越向左移，当温度达到5800K时，峰值对应的波长进入可见光区，峰值对应的波长与绝对温度的关系为：（维恩位移定律）；④辐射能力最强的波长范围是0.76~10µm，这正是红外线波长范围，处于工业温度范围600~1400K。四次方定律黑体的辐射能力为称为Stefan-Boltzmann定律，四次方定律。σ

8、0称为斯蒂芬-波尔茨曼常数，σ0=5.67×10-8W·m-2·K-4。C0=5.67W·m-2·K-4。5.5辐射传热四次方定律说明：①随着温度升高，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大。②只要绝对温度不为零，物体就会向外辐射能