基传教学资料-第八章 辐射换热2.pdfVIP

8 辐射换热 8.0 本章主要内容导读 本章讨论辐射换热问题，包括热辐射基本概念、黑体辐射基本定律、实际物体表面的辐射和辐射换热 计算四大部分内容( 图8-1) 。 图8-1 第八章主要内容导读 教材中和本章有关的内容包括：第十二章。 1 8.1 热辐射基本概念 8.1.1 热辐射的本质 物体以电磁波方式向外发射能量的过程称为辐射(radiation)/ 电磁辐射，发射的能量称为辐射能。辐射 的本质是物质原子内部的电子受激或者振动时产生交替变化的电场和磁场，发出电磁波向空间传播。 物质可以由各种原因激发产生电磁波，例如物质受到外来电子或者中子的轰击，在振荡电路或者化学 反应的作用下，实现电磁波的发射和传播。不同激发方法产生的电磁波的波长不同，它们投射到物体上产 生的效应也不同。由于物体本身温度的原因引起的辐射称为热辐射，本质上是物体内部微观粒子的热运动 状态改变/能量跃迁，将部分热能转换成交替变化的电磁波并向外发射。 辐射具有波粒二象性(wave-particle duality)，传播特征可以由麦克斯韦(Maxwell) 电磁场理论进行解释，能量特征可以 由普朗克(Planck)光量子假说进行解释。单个量子的能量可以用普朗克公式进行计算，该公式可以表示为 hc e  h   式中：e——单个量子/光子的能量(J) ； h——普朗克常数(6.63×10-34J·s)； ν——辐射电磁波的频率(s- 1) ； c—— 电磁波的传播速度/介质中的光速(m/s) ； λ——辐射电磁波的波长(m) 。 从理论上来说，所有辐射的电磁波波长范围均为0~∞ 。实际上，每一种辐射都有效应最显著的波段。实际工程应用中， 波长范围在 0.1~100μm 的电磁波的热效应最显著，通常把这一波长范围的电磁波称为热射线。这一波长范围可以分为紫外 线波段(波长小于 0.38μm) 、可见光波段(波长范围0.38~0.76μm)和红外波段(波长大于 0.76μm) 。红外波段可以分为近红外波 段(波长范围0.76~25μm)和远红外波段(波长大于25μm) 。也有文献以4μm 为界限划分近红外波段和远红外波段。 “热辐射”一词有时也用于表示热辐射能的传输过程。 8.1.2 辐射能的吸收、反射和透射 和其它辐射一样，当热辐射的辐射能投射到物体表面时会发生辐射能的吸收、反射和透射(图8-2) ，该 过程中的能量关系可以表示为 G G G G A R D 式中：G——投射辐射(incident radiation)/投入辐射，即单位时间内从外界辐射到物体单位面积上的辐射能 3 量(kg/s ) ； 3 G 、G 、G ——投射辐射中被物体吸收、反射和透射的辐射能(kg/s ) 。 A R D 图8-2 辐射能的吸收、反射和透射 2 上式可以进一步表示为 G G G A  R  D A R D 1 G G G 式中：A——物体的吸收率(absorptivity)/吸收比； R——物体的反射率(reflectivity)/反射比； D——物体的透射率(transmissivity)/穿透率/透射比/穿透比。 如图8-3 所示，物体反射辐射能的方式可以分为不规则反射、漫反射和镜面反射三种。 表面粗糙程度/表面不平整尺寸对热射线的反射有决定性影响。当表面不平整尺寸小于投射辐射的波长时形成镜面反射， 入射角等于反射角，例如高度抛光的金属表面。当表面不平整尺寸大于投入辐射的波