传热学基础(第二版)第七章教学课件 辐射换热.ppt

第七章 辐射换热 7-1 热辐射的基本概念 7-2 热辐射的基本定律 7-3 两个黑体间的辐射换热 7-4 角系数 7-5 灰体间的辐射换热 7-6 气体辐射 7-7 火焰辐射 7-1 热辐射的基本概念 在绪论中已经指出，因热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射。不同的电磁波位于一定的波长区段内，如图7-1所示。 7-2 热辐射的基本定律 把论述对象从一般物体简化为灰体，去除了原来推导基尔霍夫定律的两个约束条件。对灰体来说，既然吸收率与投来辐射无关，所以投来辐射就无需限制在黑体和平衡态。这就开辟了在换热条件下应用基尔霍夫定律确定吸收率的可能性，其重要性是不容低估的。 还可以指出，去除基尔霍夫定律推导中的两个约束条件是以缩小论述对象，满足于得到粗略近似的计算结果为代价的。所幸工程上多数固体和液体接近灰体，允许采用灰体的假定。本章后面讨论的固体和液体的辐射换热将限于灰体的范围。 7-3 两个黑体间的辐射换热 一些常见的典型几何系统的角系数都已计算出来，有现成公式或图线可供查用。 上式表明，单色吸收率αλ是个物性，与投入辐射无关，但是整个波长范围积分平均的吸收率α则不仅与自身物性和温度有关，同时还取决于投来辐射的性质和温度。于是平均的吸收率是参与辐射的两个物体的温度的函数。这就使得对任意物体来说，有必要在基尔霍夫定律里引进上述两个约束条件。倘若单色吸收率αλ与波长无关，仅仅是温度的函数，问题的复杂性就不复存在。此时式（7-11）分子中的单色吸收率可提出积分之外而得到 α＝αλ＝f(T1)　　　　（7-12） 30/84 我们把单色吸收率不随波长变化的物体称为灰体。显然，灰体也是一种理想物体。工程应用上的固体和液体多数在热辐射范围内具有灰体的性质。例如，图7-9中所示的实际物体，在热辐射范围内总体上是近似于灰体的。灰体的吸收率仅取决于物体的自身而与投入辐射无关。倘若限于灰体，则基尔霍夫定律可以得到实质性的简化。针对灰体的基尔霍夫定律可表述为：灰体的辐射力与同温度下自身的吸收率的比值与物性无关，恒等于同温度黑体的辐射力。 31/84 32/84 根据基尔霍夫定律的推论，实际物体的辐射力小于同温度下黑体的辐射力。图7-9示出了同温度下某实际物体和黑体的单色辐射率的代表性曲线。各自曲线下的面积分别代表各自的辐射力。我们把实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值称为实际物体的发射率（又称黑度），记为ε。 　　　　　 （7-13） 式中，为实际物体的单色辐射力Eλ与同温度下黑体的单色辐射力Ebλ的比值，称为单色发射率（又称单色黑度）。 33/84 值得指出，已知实际物体的发射率，其辐射力可应用四次方定律确定 　　　 W/㎡ (7-14) 实验结果发现，实际物体的辐射力并不严格地同绝对温度的四次方成正比，但要对不同物体采用不同方次的规律来计算是很不方便的。所以，在工程计算中仍认为，一切实际物体的辐射力都与绝对温度的四次方成正比，而把由此引起的修正包括到用实验方法确定的发射率中去。由于这个原因，发射率还与温度有依变关系。 34/84 一些常用材料的发射率的实验数据汇总于表7-1。 表中所列数值均系法向发射率εn。它的实验观察点位于被测面法向处测得的结果。对于一般材料，半球平均发射率即可取用法向发射率的值，对于高度磨光的金属表面，半球发射率等于1.20εn。 35/84 如前所述，针对灰体的基尔霍夫定律确认: 此式与式（7-14）对比可发现：灰体的吸收率α在数值上等于灰体在同温度下的发射率，即 α＝ε　　　（7-15） 这个由基尔霍夫定律引申出来的推论，对计算灰体间的辐射热有极其重要的意义。根据这一推论，在计算灰体间的辐射换热时，吸收率和发射率可以相互对换。 36/84 本节讨论黑体间的辐射换热。可以指出，黑体表面间的辐射换热除应用斯蒂芬—玻尔兹曼定律外，主要复杂性在于角系数。由于角系数纯属几何因子，讨论中导出的角系数及其性质对黑体辐射及非黑体辐射都是适用的。 还要指出