第十一章 辐射换热.docVIP

第二编 热量传输 第十一章 辐射换热 辐射换热在金属热态成形产业中是常见的现象，如金属件在炉内的加热，熔化炉中的炉料与发热体之间的换热等。 第一节 热辐射的基本概念 一、热辐射与辐射换热 物体中分子或原子受到激发而以电磁波的方式释放能量的现象叫辐射，电磁波所携带的能量叫辐射能。由于电磁波可以在真空中传播，因而辐射能也可以在真空中传播，而导热与对流换热则只在存有物质的空间中才能发生。 激发物体辐射能量的原因或方法不同，产生的电磁波的波长和频率也不相同。电磁波按波长的长短来划分有多种，如图11-1所示。热辐射是由于热的原因而发生的辐射。主要集中在红外线和可见光的波长范围内。 热辐射是物体的一种属性，只要物体的温度高于绝对温度0K，就会进行辐射。因此热量不仅从高温物体辐射到低温物体，同样也从低温物体辐射到高温物体，但是两者辐射的能量不同。 物体在发射辐射能的同时，也在吸收辐射能。辐射换热是指物体之间的相互辐射和吸收过程的总效果。例如工业炉炉壁与周围物体之间由于炉壁温度较高，炉壁向周围辐射的能量多于吸收的能量，这样热量就从工业炉传给周围物体。辐射换热不仅取决于两个物体之间的温度差，而且还取决于它们的温度绝对量。对于导热来说，其热流密度与温度梯度成正比，而对辐射换热来说，热流密度（或辐射力）与辐射物体热力学温度的四次方成正比，即E∝T4。 二、吸收率、反射率、穿透率 当热辐射的能量投射到物体表面上时，同可见光一样有吸收、反射和穿透的现象。 设辐射到物体表面的总能量为Q，其中一部分Qa在进入物体表面后被物体吸收，另一部分能量Qρ被物体反射，其余部分Qτ穿透物体，如教材150页图11-2所示。 根据能量守恒定律得 或 。。。。。。。。。。。。。。。。。（11-1） 令 ，， 则式（11-1）可写成 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。（11-2） 式中 α、ρ、τ——物体的辐射吸收率、反射率和穿透率。 固体及液体在表面下很短的一段距离内就能把辐射能吸收完毕，并把它转换成热能，使物体的温度升高。对于金属导体，这段距离约为1μm；对于大多数非导电材料，这一距离也小于1mm。在工程实际中所用工程材料的厚度一般都大于这个数值，因此可认为固体和液体不能透过热辐射，即穿透率τ=0。这样式（11-2）就可以简化成 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。（11-3） 对固体和液体而言，吸收能力大的物体其反射本领就小；反之，吸收能力小的物体其反射本领就大。 辐射能在物体表面上的反射取决于表面不平整尺寸相对热辐射的波长的大小，当物体表面不平整尺寸小于热辐射的波长时，形成镜面反射，否则形成漫反射。在一般工程材料的表面上大多形成漫反射现象。 气体对辐射能几乎没有反射能力，可以认为其反射率ρ=0，因而式（11-2）可以简化为 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。（11-4） 固体和液体的辐射、吸收和反射能的特性只受物体表面上材料的性质、表面状态、覆盖层的厚度以及温度等的影响，而气体的辐射和吸收则在整个气体容积中进行，与其表面状况无关紧要。 三、黑体辐射 自然界所有物体（固体、液体、气体）的吸收率α、反射率ρ和穿透率τ的数值均在0至1的范围内变化。 为了使问题简化，把吸收率α=1的物体称做绝对黑体（简称黑体）；把反射率ρ=1的物体称做镜体（当反射为漫反射时称绝对白体）；把穿透率τ=1的物体称做绝对透明体（简称透明体）。黑体、镜体及透明体都是假定的理想物体。 绝对黑体的吸收率α=1，相应的反射率ρ和穿透率τ均为零，能全部吸收各种波长的辐射能。由于人眼所看到的是物体的反射光，所以黑体看起来就是黑色的。 自然界没有绝对黑体，但可用人工的方法制造出非常接近于黑体的模型。如教材152页图11-5所示，用高吸收性的材料制一个空腔，在表面开一个小孔，空腔壁面保持均匀温度。当辐射能经过小孔进入空腔时，在空腔内要进行多次吸收和反射，每经过一次吸收，辐射能就减弱一些。最终能再从小孔穿出来的辐射能微乎其微，可以认为辐射能完全被空腔吸收，小孔就具有黑体表面同样的性质。 小孔表面与空腔内壁总面积之比越小，小孔就越接近于黑体。若小孔占内壁面积小于0.6%，当内壁吸收率为60%时，计算表明，小孔的吸收率可大于99.6%。如果把空腔内壁表面涂上吸收率更高的涂料层，小孔的黑体程度就更高。 四、辐射力（辐射照度） 物体只要有温度，就会不断向空间所有方向放射出波长不同的射线。单位时间内单位表面积向半球空间所有方向发射的全部波长的辐射能的总能量叫做该物体的辐射力或