第七章 辐射换热

1、1. 1. 热辐射的本质和特点热辐射的本质和特点7-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念(1) (1) 定义定义：由热运动产生的，以电磁波形式：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量。传递的能量。(2) (2) 特点特点：a)a)任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 K0 K，就会不停地向周围空间发出热射线；就会不停地向周围空间发出热射线；b)b)可以可以在真空中传播；在真空中传播；c)c)伴随能量形式的转变伴随能量形式的转变 电电 磁磁 辐辐 射射 波波 谱谱图图7-17-1工业上工业上有实际意义的热辐射区域一般为有实际意义的热辐射区域一般为0.1-100m0.1-100m。可见光

2、波段：可见光波段： 0.38-0.760.38-0.76 m m全红外线波段：全红外线波段： 0.76-10000.76-1000 m m近近红红外线外线: : 4 4 4 m m2. 2. 物体对热辐射的吸收、反射和穿透物体对热辐射的吸收、反射和穿透 当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如图种现象，即吸收、反射和穿透，如图7-27-2所示。所示。图图7-27-211（1 1） 固体和液体：固体和液体：1,0辐射和吸收是在表辐射和吸收是在表面上进行面上进行吸收能力大的吸收能力大的, ,反射本领就小反射本领就小. .但玻璃对

3、可见光、短红外线是透明的；对但玻璃对可见光、短红外线是透明的；对其它波长的射线，则有其它波长的射线，则有0反射又分镜反射和漫反射两种反射又分镜反射和漫反射两种图图7-3 镜反射镜反射图图7-4 漫反射漫反射（2 2） 气体（不含颗粒的）：气体（不含颗粒的）：1,0辐射和吸收是在整辐射和吸收是在整个容器中进行个容器中进行吸收性大的气体吸收性大的气体, ,其穿透性就差其穿透性就差. .（3 3） 三种特殊物体三种特殊物体a a）黑体：）黑体：11b b）白体）白体c c）透明体：）透明体：吸收最大吸收最大1如纯净的空气如纯净的空气3 3、 辐射力辐射力E(E(即全辐射力即全辐射力) )单位时间内，

4、单位时间内，单位面积单位面积，向半球空间，向半球空间所有方向所有方向发出的全波长的辐射能发出的全波长的辐射能. ( W/m. ( W/m2 2) )0dEE式中：式中： E E 为单色辐射力为单色辐射力黑体模型黑体模型( (人工黑体人工黑体):): 从小孔射入的辐射能从小孔射入的辐射能, ,在空腔内经多次吸收、反在空腔内经多次吸收、反射后，离开小孔出去的能射后，离开小孔出去的能量非常小，所以小孔可近量非常小，所以小孔可近似为黑体。似为黑体。7-2 热辐射的基本定律热辐射的基本定律（1 1）普朗克定律）普朗克定律 (1900(1900年年, ,从量子理论出发从量子理论出发) )：1. 1. 普朗

5、克定律普朗克定律1)(512TcbecE式中，式中， 波长，波长，m m ； T T 黑体温度，黑体温度，K K ； c c1 1 第一辐射常数，第一辐射常数，3.7423.7421010-16-16 W W m m2 2； c c2 2 第二辐射常数，第二辐射常数，1.43881.43881010-2-2 W W K K； a)a) = =定值时定值时, , T T升高升高,E,Eb b 增大；增大；bEPlanck Planck 定律的图示定律的图示b) T=b) T=定值时定值时, , 增大增大, E, Eb b 先先增后减；增后减；E Eb b ,max ,max 对应的对应的波长为波

6、长为 m m；c) Tc) T升高升高, , m m减小；减小；d) Td) T升高升高, , 可见光成分增加。可见光成分增加。KmTm3108976. 22 2）维恩位移定律）维恩位移定律求求E Eb b ,max ,max 时的时的 m. m. 2.2.斯蒂芬斯蒂芬- -玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律( (四次方定律四次方定律) )：黑体辐射力黑体辐射力40)(51012TdecdEETcbb式中，式中，= 5.67= 5.6710-8 w/(m210-8 w/(m2 K K4 4) )，黑体辐射常数。，黑体辐射常数。工程计算用工程计算用: :)/()100(240mWTCEb4)100(67.

7、 5T3.3.基尔霍夫定基尔霍夫定律律(1)(1)实际物体的发射特性实际物体的发射特性a)a)发射率发射率( (黑度黑度):):bEE同温度下同温度下b)b)单色发射率单色发射率: :bEE同一波长同一波长, ,同一温度下同一温度下bEE40TdEb40TdEbb实际物体实际物体: :bEE4)100(TcbbEE同一波长同一波长, ,同同一温度下一温度下bEE40TdEb40TdEbbE黑体黑体灰体灰体实际实际黑体黑体灰体灰体实际实际1.01.0bEE40TdEb40TdEbb黑体黑体: :1b灰体灰体: :与波长无关与波长无关1常数即：实际物体实际物体: :在在红外线波段范围红外线波段范围

8、内可内可视为视为灰体灰体. .( (工工程上参与辐射换热的物体大多低于程上参与辐射换热的物体大多低于2000K,2000K,属于红外线波段辐射属于红外线波段辐射) )黑体黑体灰体灰体实际实际1.01.0c)c)影响发射率影响发射率( (黑度黑度) )的因素的因素: :取决于取决于i)i)物体种类物体种类ii)ii)表面温度表面温度iii)iii)表面状况表面状况即只与本身状况有关即只与本身状况有关, ,与外界无关与外界无关. .说明说明: :i)i)材料材料: :大理石大理石高度抛光的铝板高度抛光的铝板95. 0n06. 004. 0nii)ii)表面温度表面温度金属金属: : 随随T T升高

9、而增大升高而增大, ,并受表面状并受表面状况强烈影响况强烈影响. .非金属非金属: : 随随T T升高而减小升高而减小. .绝大多数非金属材料绝大多数非金属材料, , n n在在0.85-0.950.85-0.95之间之间, ,且且与表面状况及表面颜色关系不大与表面状况及表面颜色关系不大. .如各种颜色的油漆如各种颜色的油漆: : n n=0.92-0.96=0.92-0.96iii)iii)表面状况表面状况抛光铝抛光铝06. 004. 0n粗糙粗糙( (表面氧化的表面氧化的) )铝铝: :31. 02 . 0n磨光面粗糙面同种材料同种材料: :(2)(2)实际物体的吸收特性实际物体的吸收特性

10、a)a)单色吸收率单色吸收率： 物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数. .能量投入的某一特定波长的能量吸收的某一特定波长的),(1T白瓷砖白瓷砖: : 33 m,m, 0.255 m,m, 0.90.9即长红外线波段即长红外线波段以上的的能量几以上的的能量几乎被吸收乎被吸收. .即即 33 m m的能量几乎的能量几乎被反射出去被反射出去););0.523456789010.20.40.60.81.0abcabc磨光的铝阳极氧化的铝磨光的铜 / m0.523456789010.20.40.60.81.0 / m白瓷砖白火泥粉墙面0.20.823 4 (

11、 m)可见光可见光玻璃玻璃: :对紫外线对紫外线( ( 0.3844 m),m), 1(1(即这些即这些波段的能量几乎被玻波段的能量几乎被玻璃吸收璃吸收. .对可见光对可见光(0.38-(0.38-0.760.76 及短红外线及短红外线( ( 22 m),m), 很小很小, ,可以认为是透明可以认为是透明体体. . 对投入辐射的波对投入辐射的波长的吸收是有选择性长的吸收是有选择性的的. .b) b) 吸收率吸收率：投入的总能量吸收的总能量1)21,(d)(),(d)(),(),(210220221的性质表面的性质，表面TTfTETTETTbbGG00dGdGT T1 1吸收体自身的温度吸收体自

12、身的温度. .T T2 2投射体的温度投射体的温度. .即即 不仅与吸收表面的性质和温度不仅与吸收表面的性质和温度(T1)(T1)有关有关, ,还与投入辐射能的物体按波长还与投入辐射能的物体按波长的能量分布有关的能量分布有关. .如果投射体为黑体，由于如果投射体为黑体，由于 ，则，则上式可变为上式可变为1),(2Tb)1,(d)(),(d)(d)(),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性质表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb黑体黑体: :1bb灰体灰体: :与波长无关与波长无关1 常数即：（3 3）基尔霍夫定律）基尔霍夫定律建立建立

13、与与 的关系的关系. .bEEEEE.332211bEE成立的条件成立的条件:i):i)投射体和吸收体处于热平衡投射体和吸收体处于热平衡ii)ii)投射体必须是黑体投射体必须是黑体. .基尔霍夫定律在温度不平衡条件下的几种形式基尔霍夫定律在温度不平衡条件下的几种形式: :a)a)漫射表面漫射表面: :b)b)灰体表面灰体表面: : 辐射性质与波长无关辐射性质与波长无关c)c)漫漫- -灰表面灰表面: :)()(TT在工程辐射范围内，大多在工程辐射范围内，大多数材料都可以当漫数材料都可以当漫- -灰表灰表面处理面处理. .说明说明: :对太阳辐射的情形对太阳辐射的情形, ,不能轻易当灰体处理不能

14、轻易当灰体处理. .如如: :白色衣服白色衣服, , 对阳光对阳光 =0.12-0.26=0.12-0.26但其但其 0.97( 0.97(无论白或黑无论白或黑) )即即 = = 若在高温车间若在高温车间( (在红外线辐射范围在红外线辐射范围),),则穿则穿黑或白的衣服没有区别黑或白的衣服没有区别. .即即 = = = 0.97 = 0.977-3 7-3 两个黑体间的辐射换热两个黑体间的辐射换热(c)(c)T1T21. 1. 角系数角系数 同理，表面同理，表面2 2发出发出的辐射能中的辐射能中落到落到表面表面1 1上的上的百分数百分数称为表面称为表面2 2对表面对表面1 1的角系数，的角系数

15、，记为记为X X 2, 12, 1 定义：表面定义：表面1 1发出发出的辐射能中的辐射能中落到落到表面表面2 2上上的的百分数百分数称为表面称为表面1 1对表面对表面2 2的角系数，记的角系数，记为为X X1,21,2。1 , 2222, 1112, 1XAEXAEbb讨论：讨论：两黑体表面任意放置，彼此可见两黑体表面任意放置，彼此可见当当T T1 1=T=T2 2时，时， 1,21,2=0.=0.且且21bbEE1 ,222, 11XAXA角系数是纯几何因子角系数是纯几何因子. .角系数互换性角系数互换性2. 2. 辐射空间热阻辐射空间热阻12, 1212, 1)(AXEEbb21 ,221

16、)(AXEEbb即即: :两黑体表面间的两黑体表面间的辐射换热之间存在一辐射换热之间存在一个个空间辐射热阻空间辐射热阻. .1bE2bE21 ,212, 111AXAX2 , 112, 1212, 11)(AXEEbb空间热阻辐射势差1bE2bE11121 , 212, 1AXAX2 , 1特例特例: :两平行大平板两平行大平板AAA2111 ,22, 1 XXAEEbb)(212, 17-4 7-4 角系数的确定方法角系数的确定方法1 1、积分法、积分法 121222112, 1coscos1AAdAdArAX积分计算过程很复杂，实用中采用积分计算过程很复杂，实用中采用线算图线算图。XDY1

17、2XZY12如：求两平行平板间如：求两平行平板间的角系数的角系数. .0 . 1,0 . 1DYDX则查图得：则查图得：22. 02, 1X如：求两垂直表面间的角系数如：求两垂直表面间的角系数. .0 . 1,0 . 1XYXZ则可查得：则可查得：2 . 02, 1X2 2、代数法、代数法(1)(1)角系数的特性角系数的特性（a a）互换性：）互换性：（b b）完整性：）完整性：ijjjiiXAXA,11,njjiX0,iiX平面或凸面：平面或凸面：凹面：凹面：0,iiX1234567XXXXXX1,21,31,41,51,61,7（c c）分解性：）分解性：1A2A3A4A1A2A5A6A2

18、,442,332, 11XAXAXA6, 115, 112, 11XAXAXA (a)(a)三个非凹表面组成的封闭系统三个非凹表面组成的封闭系统(2)(2)实例实例1112, 31 , 33 , 21 , 23 , 12, 1XXXXXX2,333,221 ,333, 111 ,222, 11XAXAXAXAXAXA 由角系数完整性由角系数完整性由角系数互换性由角系数互换性AAA213垂直板面方向为无限长如果垂直纸面方向的长度相同，则有如果垂直纸面方向的长度相同，则有：13212, 12llllX13212, 12AAAAX联立求得：联立求得：类似可写出其他角系数类似可写出其他角系数.(b)(

19、b)任意两个非凹表面间的角系数任意两个非凹表面间的角系数垂直板面方向为无限长垂直板面方向为无限长12abcdcdabXX,2, 1则则:bdabacabXX,1abbcacabXacab2,abadbdabXbdab2,abbdacadbcX2)()(2, 112abcdabbdacadbcX2)()(2, 1的断面长度表面不交叉线之和交叉线之和12注意：注意：这里的交叉线和不交叉线都是指虚拟这里的交叉线和不交叉线都是指虚拟断面的线，或者说是辅助线。断面的线，或者说是辅助线。例例: : 求下列图形中的角系数求下列图形中的角系数1 2X，21 22 11AXXA，2 11X，21324RR431

20、1 222 1A XA X，解：解：2190o(a)在垂直于纸面方向无限长21 22 11 211 2114218AXXXAX，解：解：1 20.5X，解：解：12（b)半球内表面与底面12(c)半球内表面与1/4底面7-5 7-5 灰体表面灰体表面间的辐射换热间的辐射换热1. 1. 有效辐射及辐射表面热阻有效辐射及辐射表面热阻(1)(1)投入辐射投入辐射G G ：单位时间内：单位时间内投射投射到表到表面单位面积上的总辐射能面单位面积上的总辐射能.(W/m.(W/m2 2) ) (2)(2)有效辐射有效辐射J J ：单位时：单位时间内离开表面单位面积间内离开表面单位面积的总辐射能的总辐射能 .

21、(W/m.(W/m2 2) )11111111(1)bJEGEG1G11G11)1 (G1E1J(3) (3) 辐射表面热阻辐射表面热阻ab1G11G11)1 (G1E1J从表面从表面1 1外部来观察其热外部来观察其热平衡，表面净失能量为：平衡，表面净失能量为：从表面内部观察其热平衡从表面内部观察其热平衡, , 表面净失能量为：表面净失能量为：1111GJA11111GEA1111GEb11对漫对漫- -灰表面：灰表面：)(1111111WAJEb表面辐射热阻表面辐射热阻是表是表面为非黑体时存在面为非黑体时存在的热阻的热阻. .1bE11J1111A表面为黑体时表面为黑体时, , =1=101

22、111A则11bEJ 有01但即黑体的有效辐射就是即黑体的有效辐射就是黑体的黑体的本身辐射本身辐射. .2.2.组成封闭腔的两灰表面间的辐射换热组成封闭腔的两灰表面间的辐射换热1,2111,2222,1A J XA J X12, 121)(AXJJ 12, 1211)(AXJJ 21 ,2211)(AXJJ 1J2J21 ,212, 111AXAX2 , 12222,11111212,1111AXAAEEbb2211，可见：1J2J11,21A X21，1bE1111A12bE2221A2)1(11)(22212,1111212,1AAXAEEbb)()(2112,1WEEAXbbs)11(1

23、)11()(21 ,212,112,121XXAXEEbb若以若以 为计算面积，上式可改写为：为计算面积，上式可改写为：1A定义系统黑度定义系统黑度( (或称为系统发射率或称为系统发射率):):)11()11(1121 ,212,1XXs讨论几种特例：讨论几种特例：a a 两无限大平行灰平壁的辐射换热两无限大平行灰平壁的辐射换热X X1,21,2 X X2,12,1 = 1 1A A1 1 = A = A2 2 = A= A111)(21212, 1AEEbb2J1Jb b 表面表面1 1为凸面或平面，为凸面或平面，1bE1J2J2bE1111A2221A21，12112, 111AAX) 1

24、1(1)(2211121AAAEEbb)1(11)(222111121AAAEEbb)1(11)(22212, 1111212, 1AAXAEEbb此时此时，X X1,21,21 1，c.c. 表面积表面积A A1 1比表面积比表面积A A2 2小得多，即小得多，即A A1 1/A/A2 2 0 0121122111212, 1)() 11(1)(AEEAAAEEbbbb01222A22bEJ 1bE1J1111A21，12112, 111AAX22bEJ 02但强化辐射换热强化辐射换热的主要途径有两种：的主要途径有两种：削弱辐射换热削弱辐射换热的主要途径有三种：的主要途径有三种： 辐射换热的强化与削弱辐射换热的强化与削弱: : 增加发射率；增加发射率； 增加角系数。增加角系数。 降低发射率；降低发射率； 降低角系数；降低角系数；(1)(1) 加入遮热板。加入遮热板。 3. 3. 遮热板遮热板111)(211212, 1AEEbb1T2T)(11121212, 1aEEqbb无3T1T2T在表面在表面1,21,2间插入一间插入一金属薄板金属薄板,