高等职业技术教育建筑设备类类专业规划教材高等职业技术教育建筑设备类类专业规划教材 8.1热辐射的概念和基本定律(4) 单元8 辐射换热 8.1.1 热辐射的概念及特点(5) 单元8 8.1.2吸收、反射和透射(9) 8.1.3 辐射力 (13) 8.1.4 热辐射的基本定律 (14) 8.1.5 太阳能的利 (25)8.2 物体间的辐射换热计算(27) 8.2.1 角系数(27) 8.2.2 两平行板之间的辐射换热(31) 8.2.3 空股内的物体与空腔内壁之间的辐射换热(35) 8.2.4 气体的辐射换热(39) 【知识点】热辐射的基本定律,辐射换热。 【能力目标 掌握:热辐射、黑体、黑度等基本概念。理解:辐射换热的过程、原理及其特征。 熟悉:工程实践中常见的热辐射计算原理与方法。 应用:能应用相关概念和公式进行辐射换热的分析和计算。 单元8 辐射换热 8.1.1.1热辐射的概念 由于物体内部微观粒子的热运动(或者说由于物体自身的温度)而使物体向外发射辐射能的现象称之为热辐射。辐射换热在热能动力工程、核能工程、冶金、化工、航天、太阳能利用、干燥技术以及日常生活中的加热、供暖等方面具有非常广泛的应用。 8.1.1 8.1.1 8.1 热辐射的概念和基本定律 热辐射在本质上是一种电磁波。当物质微观粒子的运动状态发生改变时,如电子从高能位轨道向低能位轨道迁移,就会向外发射能量,这是物质的一种固有属性。物质内部分子和原子总是处于不停的运动中,分子的热运动和原子的振动,引起了电子运动轨道的变化,于是引起周围电场的变化 ,电磁感应使电场的每一变化又引起磁场的变化,这种电磁场的交替变化就形成了电磁波并向外发射,电磁波运载的能量称为辐射能,由于温度原因使物体向外发射辐射能的过程就是热辐射。 不同波长的电磁波投射到物体上,产生的效应大不相同。根据不同的效应,可将电磁波分成各种射线区,如图8.1所示。通常把波长在0.1~100 μm之间的电磁波(包括可见光、部分紫外线和红外线)称为热射线。 8.1 热辐射的概念和基本定律 因为这段波长范围内的电磁波辐射到物体上能产生较为显著的热效应,即辐射能可以全部地或部分地转变成热量,并被物体吸收。在工程实际中所遇到的温度范围内,大部分的热射线波长位于红外线区段的0.76~20 μm范围内。对于太阳辐射才考虑波长位于 0.10~0.20 μm范围内的热辐射。因此,除了太阳能利用装臵外,一般可将热辐射看成红外线辐射。 8.1 8.1 热辐射的概念和基本定律 8.1.1.2热辐射的特点 因为热辐射是物体由于温度原因而向外发射的电磁波,所以其具有自身的特点: (1)热辐射与导热和热对流不同,热辐射不需要冷、热物体直接接触,也不需要中间介质来传递热量,可以在真空中进行热量传播。 (2)热辐射过程中不仅有能量的转移,而且还伴随着能量的转换,即发射时由热能转变为辐射能,吸收时又由辐射能转换为热能。 (3)导热和对流换热是热量传递的单向过程,而热辐射是发射和接收同时进行的双向过程。 8.1 热辐射的概念和基本定律 K,都可以不停地向外发射电磁波。当两物体温度不同时,低温物体辐射给高温物体的能量小于高温物体辐射给低温物体的能量,其总效果是高温物体将能量传给了低温物体。当两物体温度相同时,它们之间不存在导热和热对流现象,却存在热辐射现象,只不过每个物体辐射出去的能量等于它吸收的能量,处于热平衡状态。 8.1 热辐射的概念和基本定律 8.1.28.1.2 8.2 8.1 热辐射的概念和基本定律 10 8.1 热辐射的概念和基本定律 11 8.1 热辐射的概念和基本定律 12 8.1 热辐射的概念和基本定律 13 8.1.3 8.1.3 8.1 热辐射的概念和基本定律 14 8.1.4 8.1.4 8.1 热辐射的概念和基本定律 15 8.1 热辐射的概念和基本定律 16 8.1 热辐射的概念和基本定律 17 8.1 8.1 热辐射的概念和基本定律 18 8.1 8.1 热辐射的概念和基本定律 19 8.1.4.2 基尔霍夫定律 基尔霍夫定律揭示了实际物体在热平衡状态下辐射力与吸收率之间的关系。如图8.3所示,设有两个距离很近的平行大平壁,一个为黑体,另一个为灰体,由于两个平行平壁相距很近,所以从一个平壁发射的辐射能全部落到另一个平壁上。 8.3 8.1 热辐射的概念和基本定律 20 8.1 热辐射的概念和基本定律 21 8.1 热辐射的概念和基本定律 22 8.1 热辐射的概念和基本定律 23 8.2 8.1 热辐射的概念和基本定律 24 8.2As25 8.1热辐射的概念和基本定律 25 随着能源的供需矛盾和气候变暖问题日益加剧,太阳能技术近年来得到长足发展。最简单的集热器就是一根特殊的玻璃管(如图8.4(a))。在长约1 m的玻璃管外壳里面装一个涂了黑色涂料的吸收管 ,将管壳和吸收管之间抽成真空后密封。使用时,吸收管中灌入凉水并塞上塞子,将玻璃管放在阳光下照射。阳光通过玻璃外壳照射在黑色吸收管上,由于黑色能吸收全部波长的阳光,转换成热能后直接传递给管中的水,水吸收后温度升高。又由于吸热管与玻璃外壳之间是真空,抑制了热传递中对流的发生,热量传不出去,吸热管中没有热量损失。太阳光不断地照射,吸热管不断地将光能转换为热能传递给管中的水。水中热能不断积累 ,温度就不断升高,最终管中的水会被“烧”开了。这种玻璃管就叫太阳能集热管。 8.1.5 8.1.5 8.1 热辐射的概念和基本定律 26 当然,现代的太阳能集热器要比上述的太阳能集热管结构复杂一些。最常见的太阳能集热器还有非聚光式平板集热器(如图8.4(b))。它的核心部分是吸热板。有管板式、翼管式、扁盒式和蛇管式。吸热管的向阳面涂有黑色涂层 ,将吸热管平行排列在四周和底部都绝热的箱子里 ,箱盖用玻璃或透明塑料板密封。黑色吸热管接收透过玻璃的阳光 ,将其转换为热能 ,再传递给水 ,将水加热。 8.4 8.1热辐射的概念和基本定律 27 物体间的辐射换热必然与物体表面的几何形状、大小及相对位臵有关,角系数是反映这些几何因素对辐射换热影响的重要参数。 从图8.5中可以看出:(a)图中两表面无限接近,相互间的换热量最大;(b)图中两表面位于同一平面上,相互间的辐射换热量为零。两个表面间的相对位臵不同时,一个表面发出而落到另一个表面上的辐射能的百分数随之而异,从而影响到辐射换热量。 8.2.1 8.2.1 8.5 8.2 物体间的辐射换热计算 28 8.2 物体间的辐射换热计算 29 8.2 物体间的辐射换热计算 30 8.6 8.2 物体间的辐射换热计算 31 8.2.2.1 两平行板之间的辐射换热计算公式 如图8.6(a)所示,有两块平行的灰体平板,表面尺寸远远大于板之间的距离。从平板1发出的辐射能E 到达平板2的表面后,一部分被平板2吸收,一部分被平板2反射出来重新投射到平板1上;与此同时,从平板2发出的辐射能E 到达平板1的表面后,能量也存在一部分被平板1吸收、另一部分被反射回平板2的情况。两者之间进行着辐射能的反复发射和反射过程。因此,在计算两平板之间的相互辐射换热时,必须考虑到两平板的吸收率、反射率的影响,两平板间辐射换热的总结果为温度较高的物体传递给温度较低物体的净热量。两平板表面间的辐射换热量可按下式计算: 8.2.2 8.2.2 8.2 物体间的辐射换热计算 32 8.2.2.2 遮热板对辐射换热的影响图 如图8.7所示,平板1和平板2相互平行。在二者之间放臵一块遮热板3,以减少板 1和板2之间的辐射换热。假定板1和板2的温度为 不变,遮热板3两表面的黑度ε3相等,若板1和板2的面积远大于二者之间的距离,则板1和板2之间辐射换热量的计算过程如下:8.2 物体间的辐射换热计算 33 8.7 8.2 物体间的辐射换热计算 34 8.2 物体间的辐射换热计算 35 在工程中经常会遇到空腔内的物体与空腔内壁之间的辐射换热问题,比如室内采暖辐射板以及红外辐射器等与室内周围墙壁之间的辐射换热;高温供热管道与管道槽内壁之间的辐射换热问题等等。像这类问题,可简化为如图8.8所示的情形: 一个具有凸表面的物体 闭空腔2中。物体 1的外表面的 温度、黑度以及面积分别是 ,物体2的内表面温度、 黑度以及面积分别是 。则物体1和物体 2之间的辐 射换热量可以用下面公式进行 计算: 8.8 8.2.3 8.2.3 8.2 物体间的辐射换热计算 36 8.15 8.2 物体间的辐射换热计算 37 8.2 物体间的辐射换热计算 38 【例8.2】一根直径 d=50 mm、长度为 L=10 m的钢管被臵于横断面为 0.9。计算该钢管的辐射热损失。【例8.3】已知蒸汽管道外保温层的黑度 =0.8,外径d=583 mm,外壁面温度 =50,室温 =20。计算厂房内的蒸汽管道外表面每米长的辐射热损失。 8.2 物体间的辐射换热计算 39 在工程实践中有许多需要考虑气体辐射换热的场合,锅炉炉膛中的烟气辐射是火焰辐射的重要组成部分,而烟气的发射率是决定火焰辐射强度的重要参量,提高高温烟气的发射率可以有效地促进炉膛内的辐射传热,从而达到节能降耗的效果。柴油机缸内的传热是包括对流换热和辐射传热的综合传热过程。辐射传热又分为火焰辐射和气体辐射 ,其约占总热流量的25%左右。研究柴油机缸内气体辐射对缸内传热的影响,对深入了解缸内传热机理,提高发动机性能和可靠性有十分重要的学术和工程价值;另外掌握气体辐射换热的规律也有助于了解温室效应和臭氧层破坏问题。 8.2.4 8.2.4 8.2 物体间的辐射换热计算 40 不同的气体,吸收和发射的能力不同。单原子气体和分子结构对称的双原子气体,几乎没有吸收和发射能力,可视为完全透热体。而不对称的双原子和多原子气体,则具有相当大的发射能力和吸收率,当这类气体出现在高温换热场合中时,就涉及到气体和固体间的辐射传热问题。 8.2.4.1 气体辐射与吸收的特点 同的气体的辐射与吸收能力不同对称的双原子分子,例如 及惰性气体,在工业上常见的高温范围内几乎没有辐射与吸收能力,实际上是热的透明体。而不对称的双原子分子(例如CO)和多原子分子 ),则具有相当大的辐射和吸收能力。8.2 物体间的辐射换热计算 41 (2)气体辐射对波长有选择性 某一种气体只辐射和吸收光谱中某些波长范围的能量,这些波长范围叫光带,对于光带以外的射线,气体变为透明体。如CO O均有三个吸收光带,其分布情况如表8.3所示。8.3 CO 8.2物体间的辐射换热计算 42 (3)气体辐射与吸收是在整个容积内进行的 固体和液体的辐射和吸收都在表面处进行,而气体的辐射和吸收则在整个容积中进行,气体的辐射和吸收与气体的性质和体积有关。因为当热射线通过吸收性气层时沿路径能量被气体吸收而逐渐减低,这种减弱的程度取决于中途所碰到的气体分子数,而分子数目又决定于热射线所经过的气层厚度和气体的密度。 (4)气体的吸收率与气体的黑度不相等 因为气体选择性地吸收某些波长的辐射能,其吸收率不仅与本身状况有关,而且与外来辐射有关。 8.2 物体间的辐射换热计算 43 8.2.4.2 温室效应 地球在接受太阳短波辐射的同时,会不断向外发射长波辐射。大气中有一些气体具有吸收长波辐射并使其返回地表的特性,因而会使地球外逸辐射减少,导致气温升高,这种现象被称为广义温室效应。大气中的二氧化碳、水汽、甲烷、氮氧化物、臭氧等,因其吸收和发出长波辐射的能力很强,因此被统称为温室气体。温室效应越来越强,会使全球气温普遍上升,导致南北极地和高原冰川消融,冰层融化后导致海水膨胀和海平面上升,地球将面临中纬度地区生态系统和农业带向极地迁移,致使生物多样性降低、突发性气候灾难频度增加等,直接影响人类的生存与发展。各种温室气体的来源、消耗及对气候的影响如表8.4所示。 8.2 物体间的辐射换热计算 44 8.4 8.2 物体间的辐射换热计算 45 8.2.4.3臭氧层的破坏 平流层中臭氧的存在对于地球生命物质至关重要,因为,它阻挡了高能量的紫外线辐射到达地面。阳光中的紫外线辐射虽然只占太阳总发射能量的5%左右,但是它对于地球生命系统具有很大的伤害能力,并且,能量越高,伤害越大。能量最高的部分,即EUV,在平流层以上就被大气中的原子和分子氧所吸收。从EUV到波长 290 nm之间的一般称为UV C段,被平流层臭氧分子全部吸收。波长为 290~320 nm的辐射段称为UV B段,也有90%被臭氧分子吸收,从而大大减弱了它到达地面的强度。臭氧也能吸收可见光及9~10 μm的红外光,使大气层加热。所以,臭氧浓度的变化不仅影响到平流层大气的温度和运动,也影响了全球的热平衡和全球的气候变化。 8.2 物体间的辐射换热计算 46 如果臭氧层被破坏,人类皮肤癌、白内障等疾病的发病率将显著增高;紫外线还能穿透 10 m深的水层,杀死浮游植物和微生物,从而危及水中生物的食物链和自由氧的来源,影响生态平衡和水体的自净能力。 能够破坏臭氧层气体的物质主要有:CFC 是氟利昂的一种,关于氟利昂制冷剂的有关知识将在专业课中介绍。