【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，使凝結(jié)液膜拉薄。 ② 在凝結(jié)表面加工出溝槽，使液膜分段排泄，以提高液膜的排泄速度。如 圖 。 沸騰換熱與凝結(jié)換熱 71 圖 強(qiáng)化換熱表面 (a)加工出尖鋒； (b)加工出溝槽 圖 沸騰換熱與凝結(jié)換熱 72 一般情況下，由于汽化潛熱和凝結(jié)潛熱的存在，有相變的換熱要比無(wú)相變的換熱強(qiáng)度大。熱管技術(shù)就是利用流體的汽化吸熱和凝結(jié)放熱，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度傳熱的。熱管，又稱(chēng)“熱超導(dǎo)體”，它通過(guò)在全封閉真空管內(nèi)工質(zhì)的氣、液相變來(lái)傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)熱性，比純銅導(dǎo)熱能力高上百倍。熱管的工作原理很簡(jiǎn)單，如 圖 ，熱管分為蒸發(fā)受熱端（高溫部分）和冷凝放熱端（低溫部分）兩部分。當(dāng)受熱端開(kāi)始受熱的時(shí)候，管壁周?chē)囊后w就會(huì)瞬間汽化，產(chǎn)生蒸氣，此時(shí)這部分的壓力就會(huì)變大，蒸氣流在壓力的作用下向冷凝端流動(dòng)。蒸氣流到達(dá)冷凝端后冷凝成液體，同時(shí)也放出大量的熱量，冷凝后的液體借助毛細(xì)力回到蒸發(fā)受熱端完成一次循環(huán)。 熱管技術(shù) 沸騰換熱與凝結(jié)換熱 73 典型的熱管是由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內(nèi)抽到負(fù)壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段（加熱段），另一端為冷凝段（冷卻段），根據(jù)需要可以在兩段中間布置絕熱段。當(dāng)熱管的一端受熱時(shí)，毛細(xì)芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸氣在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不已，熱量由熱管的高溫端傳至低溫端。 沸騰換熱與凝結(jié)換熱 RE GONG XUE JI CHU 高等職業(yè)技術(shù)教育建筑設(shè)備類(lèi)類(lèi)專(zhuān)業(yè)規(guī)劃教材 74 第二部分 單元 8 輻射換熱 熱 工 學(xué) 基礎(chǔ) 75 熱輻射的概念和基本定律 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ （ 4） 單元 8 輻射換熱 熱輻射的概念及特點(diǎn) ┄┄┄┄┄┄┄┄┄ （ 5） 單元 8 輻射換熱 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ （ 3） 吸收、反射和透射 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ （ 9） 輻射力 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ （ 13） 熱輻射的基本定律 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ （ 14） 太陽(yáng)能的利用 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ （ 25） 物體間的輻射換熱計(jì)算 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ （ 27） 角系數(shù) ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ （ 27） 兩平行板之間的輻射換熱 ┄┄┄┄┄┄┄ （ 31） 空股內(nèi)的物體與空腔內(nèi)壁之間的輻射換熱（ 35） 氣體的輻射換熱 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ （ 39） 76 【 知識(shí)點(diǎn) 】 熱輻射的基本定律，輻射換熱。 【 能力目標(biāo) 】 掌握 ：熱輻射、黑體、黑度等基本概念。 理解 ：輻射換熱的過(guò)程、原理及其特征。 熟悉 ：工程實(shí)踐中常見(jiàn)的熱輻射計(jì)算原理與方法。 應(yīng)用 ：能應(yīng)用相關(guān)概念和公式進(jìn)行輻射換熱的分析和計(jì)算。 單元 8 輻射換熱 77 熱輻射的概念 由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)（或者說(shuō)由于物體自身的溫度）而使物體向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象稱(chēng)之為熱輻射。輻射換熱在熱能動(dòng)力工程、核能工程、冶金、化工、航天、太陽(yáng)能利用、干燥技術(shù)以及日常生活中的加熱、供暖等方面具有非常廣泛的應(yīng)用。 熱輻射的概念及特點(diǎn) 熱輻射的概念和基本定律 78 熱輻射在本質(zhì)上是一種電磁波。當(dāng)物質(zhì)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，如電子從高能位軌道向低能位軌道遷移，就會(huì)向外發(fā)射能量，這是物質(zhì)的一種固有屬性。物質(zhì)內(nèi)部分子和原子總是處于不停的運(yùn)動(dòng)中，分子的熱運(yùn)動(dòng)和原子的振動(dòng)，引起了電子運(yùn)動(dòng)軌道的變化，于是引起周?chē)妶?chǎng)的變化，電磁感應(yīng)使電場(chǎng)的每一變化又引起磁場(chǎng)的變化，這種電磁場(chǎng)的交替變化就形成了電磁波并向外發(fā)射，電磁波運(yùn)載的能量稱(chēng)為輻射能，由于溫度原因使物體向外發(fā)射輻射能的過(guò)程就是熱輻射。 不同波長(zhǎng)的電磁波投射到物體上，產(chǎn)生的效應(yīng)大不相同。根據(jù)不同的效應(yīng)，可將電磁波分成各種射線區(qū)，如 圖 。通常把波長(zhǎng)在 ～ 100 μm之間的電磁波（包括可見(jiàn)光、部分紫外線和紅外線）稱(chēng)為熱射線。 熱輻射的概念和基本定律 79 因?yàn)檫@段波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁波輻射到物體上能產(chǎn)生較為顯著的熱效應(yīng)，即輻射能可以全部地或部分地轉(zhuǎn)變成熱量，并被物體吸收。在工程實(shí)際中所遇到的溫度范圍內(nèi)，大部分的熱射線波長(zhǎng)位于紅外線區(qū)段的～ 20 μm范圍內(nèi)。對(duì)于太陽(yáng)輻射才考慮波長(zhǎng)位于～ μm范圍內(nèi)的熱輻射。因此，除了太陽(yáng)能利用裝置外，一般可將熱輻射看成紅外線輻射。 圖 電磁波譜 熱輻射的概念和基本定律 80 熱輻射的特點(diǎn) 因?yàn)闊彷椛涫俏矬w由于溫度原因而向外發(fā)射的電磁波，所以其具有自身的特點(diǎn)： （ 1） 熱輻射與導(dǎo)熱和熱對(duì)流不同，熱輻射不需要冷、熱物體直接接觸，也不需要中間介質(zhì)來(lái)傳遞熱量，可以在真空中進(jìn)行熱量傳播。 （ 2） 熱輻射過(guò)程中不僅有能量的轉(zhuǎn)移，而且還伴隨著能量的轉(zhuǎn)換，即發(fā)射時(shí)由熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠埽諘r(shí)又由輻射能轉(zhuǎn)換為熱能。 （ 3） 導(dǎo)熱和對(duì)流換熱是熱量傳遞的單向過(guò)程，而熱輻射是發(fā)射和接收同時(shí)進(jìn)行的雙向過(guò)程。 熱輻射的概念和基本定律 81 （ 4） 任何物體的溫度只要高于 0 K，都可以不停地向外發(fā)射電磁波。 當(dāng)兩物體溫度不同時(shí)，低溫物體輻射給高溫物體的能量小于高溫物體輻射給低溫物體的能量，其總效果是高溫物體將能量傳給了低溫物體。當(dāng)兩物體溫度相同時(shí)，它們之間不存在導(dǎo)熱和熱對(duì)流現(xiàn)象，卻存在熱輻射現(xiàn)象，只不過(guò)每個(gè)物體輻射出去的能量等于它吸收的能量，處于熱平衡狀態(tài)。 熱輻射的概念和基本定律 82 吸收、反射和透射 圖 吸收、反射和透射 熱輻射的概念和基本定律 83 熱輻射的概念和基本定律 84 熱輻射的概念和基本定律 85 熱輻射的概念和基本定律 86 輻射力 熱輻射的概念和基本定律 87 熱輻射的基本定律 熱輻射的概念和基本定律 88 熱輻射的概念和基本定律 89 熱輻射的概念和基本定律 90 表 熱輻射的概念和基本定律 91 表 常用材料表面的黑度 熱輻射的概念和基本定律 92 基爾霍夫定律 基爾霍夫定律揭示了實(shí)際物體在熱平衡狀態(tài)下輻射力與吸收率之間的關(guān)系。如 圖 ，設(shè)有兩個(gè)距離很近的平行大平壁，一個(gè)為黑體，另一個(gè)為灰體，由于兩個(gè)平行平壁相距很近，所以從一個(gè)平壁發(fā)射的輻射能全部落到另一個(gè)平壁上。 圖 平行平壁間的輻射換熱 熱輻射的概念和基本定律 93 熱輻射的概念和基本定律 94 熱輻射的概念和基本定律 95 熱輻射的概念和基本定律 96 表 熱輻射的概念和基本定律 97 表 As和在常溫（ 25℃ ）下的黑度 ε 熱輻射的概念和基本定律 98 隨著能源的供需矛盾和氣候變暖問(wèn)題日益加劇，太陽(yáng)能技術(shù)近年來(lái)得到長(zhǎng)足發(fā)展。最簡(jiǎn)單的集熱器就是一根特殊的玻璃管（如 圖 (a)）。在長(zhǎng)約 1 m的玻璃管外殼里面裝一個(gè)涂了黑色涂料的吸收管 ,將管殼和吸收管之間抽成真空后密封。使用時(shí) ,吸收管中灌入涼水并塞上塞子 ,將玻璃管放在陽(yáng)光下照射。陽(yáng)光通過(guò)玻璃外殼照射在黑色吸收管上 ,由于黑色能吸收全部波長(zhǎng)的陽(yáng)光 ,轉(zhuǎn)換成熱能后直接傳遞給管中的水 ,水吸收后溫度升高。又由于吸熱管與玻璃外殼之間是真空 ,抑制了熱傳遞中對(duì)流的發(fā)生 ,熱量傳不出去 ,吸熱管中沒(méi)有熱量損失。太陽(yáng)光不斷地照射 ,吸熱管不斷地將光能轉(zhuǎn)換為熱能傳遞給管中的水。水中熱能不斷積累 ,溫度就不斷升高 ,最終管中的水會(huì)被“燒”開(kāi)了。這種玻璃管就叫太陽(yáng)能集熱管。 太陽(yáng)能的利用 熱輻射的概念和基本定律 99 當(dāng)然，現(xiàn)代的太陽(yáng)能集熱器要比上述的太陽(yáng)能集熱管結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些。最常見(jiàn)的太陽(yáng)能集熱器還有非聚光式平板集熱器（如 圖 (b)）。它的核心部分是吸熱板。有管板式、翼管式、扁盒式和蛇管式。吸熱管的向陽(yáng)面涂有黑色涂層 ,將吸熱管平行排列在四周和底部都絕熱的箱子里 ,箱蓋用玻璃或透明塑料板密封。黑色吸熱管接收透過(guò)玻璃的陽(yáng)光 ,將其轉(zhuǎn)換為熱能 ,再傳遞給水 ,將水加熱。 圖 (a) 真空管集熱器； (b) 太陽(yáng)能熱水器 熱輻射的概念和基本定律 100 物體間的輻射換熱必然與物體表面的幾何形狀、大小及相對(duì)位置有關(guān)，角系數(shù)是反映這些幾何因素對(duì)輻射換熱影響的重要參數(shù)。 從 圖 ：（ a）圖中兩表面無(wú)限接近，相互間的換熱量最大；（ b）圖中兩表面位于同一平面上，相互間的輻射換熱量為零。兩個(gè)表面間的相對(duì)位置不同時(shí)，一個(gè)表面發(fā)出而落到另一個(gè)表面上的輻射能的百分?jǐn)?shù)隨之而異，從而影響到輻射換熱量。 角系數(shù) 圖 表面相對(duì)位置對(duì)物體間輻射換熱的影響 物體間的輻射換熱計(jì)算 101 物體間的輻射換熱計(jì)算 102 物體間的輻射換熱計(jì)算 103 圖 輻射表面角系數(shù) 物體間的輻射換熱計(jì)算 104 兩平行板之間的輻射換熱計(jì)算公式 如 圖 （ a） 所示，有兩塊平行的灰體平板，表面尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于板之間的距離。從平板 1發(fā)出的輻射能 E1到達(dá)平板 2的表面后，一部分被平板 2吸收，一部分被平板 2反射出來(lái)重新投射到平板 1上；與此同時(shí)，從平板 2發(fā)出的輻射能 E2到達(dá)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的情況。兩者之間進(jìn)行著輻射能的反復(fù)發(fā)射和反射過(guò)程。因此，在計(jì)算兩平板之間的相互輻射換熱時(shí)，必須考慮到兩平板的吸收率、反射率的影響，兩平板間輻射換熱的總結(jié)果為溫度較高的物體傳遞給溫度較低物體的凈熱量。兩平板表面間的輻射換熱量可按下式計(jì)算： 兩平行板之間輻射換熱 物體間的輻射換熱計(jì)算 105 遮熱板對(duì)輻射換熱的影響圖 如 圖 ，平板 1和平板 2相互平行。在二者之間放置一塊遮熱板 3，以減少板 1和板 2之間的輻射換熱。假定板 1和板 2的溫度為 T1和 T2，黑度為 ε1和 ε2，放置遮熱板后 T1和 T2不變，遮熱板 3兩表面的黑度 ε3相等，若板 1和板 2的面積遠(yuǎn)大于二者之間的距離，則板 1和板 2之間輻射換熱量的計(jì)算過(guò)程如下： 物體間的輻射換熱計(jì)算 106 圖 物體間的輻射換熱計(jì)算 107 物體間的輻射換熱計(jì)算 108 在工程中經(jīng)常會(huì)遇到空腔內(nèi)的物體與空腔內(nèi)壁之間的輻射換熱問(wèn)題，比如室內(nèi)采暖輻射板以及紅外輻射器等與室內(nèi)周?chē)鷫Ρ谥g的輻射換熱；高溫供熱管道與管道槽內(nèi)壁之間的輻射換熱問(wèn)題等等。像這類(lèi)問(wèn)題，可簡(jiǎn)化為如 圖 ： 一個(gè)具有凸表面的物體 1置于密 閉空腔 2中。物體 1的外表面的 溫度、黑度以及面積分別是 T ε1和 F1，物體 2的內(nèi)表面溫度、 黑度以及面積分別是 T ε2和 F2。則物體 1和物體 2之間的輻 射換熱量可以用下面公式進(jìn)行 計(jì)算： 圖 空腔內(nèi)的物體與空腔 內(nèi)壁之間的輻射換熱 空腔內(nèi)的物體與空腔內(nèi)壁之間的輻射換熱 物體間的輻射換熱計(jì)算 109 （ ） 物體間的輻射換熱計(jì)算 110 物體間的輻射換熱計(jì)算 111 【 例 】 一根直徑 d＝ 50 mm、長(zhǎng)度為 L=10 m的鋼管被置于橫斷面為 1 m 1 m的磚槽道內(nèi)。鋼管溫度為 t1＝ 227℃ ，黑度為 ε1＝ 。磚槽壁面溫度為t2=27℃ ，黑度為 ε2＝ 。計(jì)算該鋼管的輻射熱損失。 【 例 】 已知蒸汽管道外保溫層的黑度 ε1＝ ，外徑 d＝ 583 mm，外壁面溫度 t1＝ 50℃ ，室溫 t2＝ 20℃ 。計(jì)算廠房?jī)?nèi)的蒸汽管道外表面每米長(zhǎng)的輻射熱損失。 物體間的輻射換熱計(jì)算 112 在工程實(shí)踐中有許多需要考慮氣體輻射換熱的場(chǎng)合，鍋爐爐膛中的煙氣輻射是火焰輻射的重要組成部分 ,而煙氣的發(fā)射率是決定火焰輻射強(qiáng)度的重要參量，提高高溫?zé)煔獾陌l(fā)射率可以有效地促進(jìn)爐膛內(nèi)的輻射傳熱 ,從而達(dá)到節(jié)能降耗的效果。柴油機(jī)缸內(nèi)的傳熱是包括對(duì)流換熱和輻射傳熱的綜合傳熱過(guò)程。 輻射傳熱又分為火焰輻射和氣體輻射 ,其約占總熱流量的 25%左右。研究柴油機(jī)缸內(nèi)氣體輻射對(duì)缸內(nèi)傳熱的影響 ,對(duì)深入了解缸內(nèi)傳熱機(jī)理 ,提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能和可靠性有十分重要的學(xué)術(shù)和工程價(jià)值；另外掌握氣體輻射換熱的規(guī)律也有助于了解溫室效應(yīng)和臭氧層破壞問(wèn)題。 氣體的輻射換熱 物體間的輻射換熱計(jì)算 113 不同的氣體，吸收和發(fā)射的能力不同。單原子氣體和分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)的雙原子氣體，幾乎沒(méi)有吸收和發(fā)射能力，可視為完全透熱體。而不對(duì)稱(chēng)的雙原子和多原子氣體，則具有相當(dāng)大的發(fā)射能力和吸收率，當(dāng)這類(lèi)氣體出現(xiàn)在高溫?fù)Q熱場(chǎng)合中時(shí)，就涉及到氣體和固體間