热辐射及辐射换热

1、华北电力大学华北电力大学梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学热辐射与辐射换热部分热辐射与辐射换热部分一、一些基本概念一、一些基本概念二、黑体辐射二、黑体辐射三、实际物体的辐射与吸收三、实际物体的辐射与吸收四、辐射换热的计算四、辐射换热的计算华北电力大学华北电力大学梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学一、一些基本概念一、一些基本概念可见光的波长范围：可见光的波长范围：0.380.76m华北电力大学华北电力大学梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学1 1、吸收、反射和透射、吸收、反射和透射 投射辐射投射辐射周围物体在单位时间内投射到物体单位表周围物体在单位时间内投射到物体单位表面积上的辐射能。用面积上的辐射能。

2、用G表示，单位表示，单位W/m2 。1GGGGGGGGGG吸收比吸收比反射比反射比穿透比穿透比11对于固体和液体：1对于气体：华北电力大学华北电力大学梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学 视物体表面状况（平整程度）和投入辐射的波视物体表面状况（平整程度）和投入辐射的波长，表面的反射又分为镜反射和漫反射。长，表面的反射又分为镜反射和漫反射。 漫反射是把来自任意方向、任意波长的投入辐射以漫反射是把来自任意方向、任意波长的投入辐射以均匀的强度（不是均匀的强度（不是“能量能量”）反射到半球空间所有方）反射到半球空间所有方向上去。向上去。(a)(a)镜反射镜反射(b)(b)漫反射漫反射注：除了经特殊处理的金

3、属表面，大部分工程材料注：除了经特殊处理的金属表面，大部分工程材料均可视为漫射表面。均可视为漫射表面。华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学2 2、特殊辐射体、特殊辐射体 吸收比吸收比 = 1= 1的物体称为黑体。的物体称为黑体。 反射比反射比 = 1= 1的物体称为白体（或镜体）。的物体称为白体（或镜体）。 透射比透射比 = 1= 1的物体称之为透明体。的物体称之为透明体。 例如，煤炭的吸收比达到例如，煤炭的吸收比达到0.960.96，磨光的金子反射比几，磨光的金子反射比几乎等于乎等于0.980.98，而常温下空气对热射线呈现透明的性质。，而常温下空气对热射线呈现透明

4、的性质。华北电力大学华北电力大学梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学辐射力辐射力E E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间单位时间内，物体的单位表面积向半球空间所有方向辐射出去的全部波长的能量所有方向辐射出去的全部波长的能量总和总和 。W/m2从总体上表征物体发射辐射能本领的大小。从总体上表征物体发射辐射能本领的大小。3 3、辐射能力、辐射能力光谱辐射力光谱辐射力: :在单位时间内物体单位面积上向半球空在单位时间内物体单位面积上向半球空间所有方向发射的从间所有方向发射的从 到到 +d 波长的辐射能称为光波长的辐射能称为光谱辐射力，用谱辐射力，用E 表示，单位为表示，单位为W/m3。0dEE华北

5、电力大学华北电力大学梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学定向辐射强度定向辐射强度: :单位可见面积发射出去的落在空间任意单位可见面积发射出去的落在空间任意方向的单位立体角中的能量。方向的单位立体角中的能量。sr)W/(mcosdd)(d2AIcosdA华北电力大学华北电力大学梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学二、黑体辐射二、黑体辐射辐射力辐射力不同方向？不同方向？不同波长？不同波长？普朗克定律普朗克定律四次方定律四次方定律兰贝特定律兰贝特定律 吸收比吸收比 = 1= 1的物体称为黑体。的物体称为黑体。黑体还应具有什么性质？黑体还应具有什么性质？黑体辐射具有什么特性？黑体辐射具有什么特性？华北电力大学

6、华北电力大学梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学二、黑体辐射二、黑体辐射1 1、普朗克定律、普朗克定律(1900)(1900)1251bT/CeCEKm2900Tm 维恩维恩Wien位移定律位移定律(1893)华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学【解解】应用应用Wien位移定律位移定律T=2000K时时 max=2.9 10-3/2000=1.45 mT=5800K时时 max=2.9 10-3/5800=0.50 m常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区常见物体最大辐射力对应的波长在红外线区太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区太阳辐射最大辐射力对应的波长在可见光区【例

7、例】试分别计算温度为试分别计算温度为2000K和和5800K的黑的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长。体的最大光谱辐射力所对应的波长。华北电力大学华北电力大学梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学2 2、斯忒藩、斯忒藩- -玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 黑体辐射的辐射力与温度的关系遵循斯忒藩黑体辐射的辐射力与温度的关系遵循斯忒藩- -波波尔兹曼定律：尔兹曼定律：404100TCTEb)K W/(m67. 5C)K W/(m1067. 5420428普朗克定律与普朗克定律与Stefan-Boltzmann定律的关系定律的关系40)(51012TdecdEETcbb华北电力大学华北电力大学21dEEbb特定波

8、长区段内的黑体辐射力特定波长区段内的黑体辐射力2211212121()40400(0)(0)2111()()bbbbbbbbE dFE dTE dE dE dTFFfTfT通常把波段区间的辐通常把波段区间的辐射能表示为同温度下射能表示为同温度下黑体辐射力的百分数，黑体辐射力的百分数，记作，称作记作，称作黑黑体辐射函数体辐射函数。12()bF梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学华北电力大学华北电力大学T / (mK)Fb(0-) / % T / (mK)Fb(0-) / %1000110012001300140015001600170018001900200022002400260028003000

9、0.03230.09160.2140.4340.7821.2901.9792.8623.9465.2256.69010.1114.0518.3422.8227.36 650070007500800085009000950010000120001400016000180002000022000240002600077.6680.8383.4685.6487.4789.0790.3291.4394.5196.2997.3898.0898.5698.8999.1299.30梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊【例例】试求温度为试求温度为1400K和和6000K时的

10、黑体辐射中可见光所时的黑体辐射中可见光所占的份额。占的份额。Fb(1-2)=Fb(0-2)-Fb(0-1)=0.07%。同样的做法可以得出同样的做法可以得出6000K的黑体的黑体在可见光范围所占的份额为在可见光范围所占的份额为Fb(1-2)=Fb(0-2)-Fb(0-1)=57.3%-11.3%=46%。【解解】：可见光的波长范围是从：可见光的波长范围是从0.38m到到0.76m，对于，对于1400K的黑体其的黑体其T值分别为值分别为532和和1064。可从表。可从表41查得查得Fb(0-1)和和Fb(0-2)分别为分别为60 60 ，( ( ) )明显减少；明显减少； 90 90 ，( (

11、) )降为降为0 0华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学影响物体发射率的因素影响物体发射率的因素f（物质的种类、表面状况、表面温度）（物质的种类、表面状况、表面温度）只与发射物体有关，而不涉及外界条件。只与发射物体有关，而不涉及外界条件。不同种类物质的不同种类物质的：常温下白大理石：常温下白大理石0.95；常；常温下镀锌铁皮温下镀锌铁皮0.23同一物体不同温度同一物体不同温度：严重氧化的铝表面：严重氧化的铝表面50时时0.2；500时时0.3 同一材料，不同表面状况：同一材料，不同表面状况：a常温下无光泽黄铜常温下无光泽黄铜0.22；磨光后的黄铜；磨光后的黄铜0.05

12、 大部分非金属材料的发射率一般在大部分非金属材料的发射率一般在0.850.95之间；之间；且与表面状况关系不大，在缺乏资料时，可近似取且与表面状况关系不大，在缺乏资料时，可近似取为为0.9。 华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学材料类别和表面状况材料类别和表面状况温度温度/ 法向发射率法向发射率n具有光滑的氧化层表皮的钢板具有光滑的氧化层表皮的钢板200.82镀锌铁皮镀锌铁皮380.28严重氧化的铝表面严重氧化的铝表面500.2严重氧化的铝表面严重氧化的铝表面5000.3无光泽黄铜无光泽黄铜380.22磨光的黄铜磨光的黄铜380.05红砖红砖200.880.93玻璃玻

13、璃400.94各种颜色的油漆各种颜色的油漆400.920.96雪雪-1200.82人体皮肤人体皮肤320.98部分常见材料表面的法向发射率部分常见材料表面的法向发射率华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学 对应于黑体的辐射力对应于黑体的辐射力E Eb b，光谱辐射力，光谱辐射力E Eb b 和定向辐射强和定向辐射强度度L L，分别引入了三个修正系数，即发射率，分别引入了三个修正系数，即发射率 ，光谱发射，光谱发射率率 ( ( ) )和定向发射率和定向发射率 ( ( ) )，其，其表达式和物理意义表达式和物理意义如下如下40)(TdEEEbb实际物体的实际物体的辐射力辐射

14、力与与黑体黑体辐射力辐射力之比之比:实际物体的实际物体的光谱辐射力光谱辐射力与与黑体的黑体的光谱辐射力光谱辐射力之比：之比：bEE)(实际物体的实际物体的定向辐射强度定向辐射强度与与黑体的黑体的定向辐射强度定向辐射强度之比：之比：( )( )( )( )bbIIII 华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学2 2、实际物体的吸收比、实际物体的吸收比实际物体的光谱吸收比实际物体的光谱吸收比)()()()(GGGG华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学根据前面的定义可知，根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面物体的吸收比除与自身表面性质的温度有关

15、外，还与投入辐射按波长的能量分性质的温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关布有关。设下标。设下标1 1、2 2分别代表所研究的物体和产生分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体投入辐射的物体，则物体1 1的吸收比为的吸收比为12212001222001204212( ,)( ,)()d( ,)()d( ,)()d()d( ,)()d(,1)bbbbbbbTTETT ETTETETT ETTf T T 表面 的性质 华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系 材料自身温度材料自身温度T

16、T1 1为为294K294K华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学温室大棚就是利用了玻璃对辐射能吸收的选择性温室大棚就是利用了玻璃对辐射能吸收的选择性华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学 实际物体的光谱吸收比对投入辐射的波长有选择性实际物体的光谱吸收比对投入辐射的波长有选择性这一情况给辐射换热的工程计算带来很多不便。这一情况给辐射换热的工程计算带来很多不便。3 3、灰体、灰体 光谱吸收比与波长无关的理想物体称为灰体。光谱吸收比与波长无关的理想物体称为灰体。常数)( 在在红外线红外线的

17、辐射范围内大多数工程材料可以当作的辐射范围内大多数工程材料可以当作灰体处理。灰体处理。引入的意义引入的意义：不管投入辐射的分布如何，：不管投入辐射的分布如何， 均为常数，均为常数，即物体的吸收比只取决于本身的情况而与外界情况无关。即物体的吸收比只取决于本身的情况而与外界情况无关。本课程的研究范围内，辐射传热计算假设表面为本课程的研究范围内，辐射传热计算假设表面为漫漫灰的。灰的。华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学4 4、基尔霍夫定律、基尔霍夫定律 基尔霍夫定律给出基尔霍夫定律给出了实际物体辐射能力与了实际物体辐射能力与吸收能力的关系。吸收能力的关系。列出处于热平衡时，

18、实际列出处于热平衡时，实际物体物体2 2的能量收支关系。的能量收支关系。bEEbEE 但是，这个等式是有条件的。但是，这个等式是有条件的。华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学TT,无条件成立无条件成立TT,漫射表面漫射表面TT,灰体表面灰体表面 TT漫射灰体表面或与黑体漫射灰体表面或与黑体处于热平衡处于热平衡华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学关于基尔霍夫定律和灰体的几点说明关于基尔霍夫定律和灰体的几点说明1 1、根据基尔霍夫定律，在一定条件下，物体的辐、根据基尔霍夫定律，在一定条件下，物体的辐射能力越大，其吸收能力也越大。换句话，善于辐射能

19、力越大，其吸收能力也越大。换句话，善于辐射的物体必善于吸收。射的物体必善于吸收。2 2、对于工程问题而言，只要在所研究的波长范围、对于工程问题而言，只要在所研究的波长范围内光谱吸收比基本上与波长无关，则灰体的假定是内光谱吸收比基本上与波长无关，则灰体的假定是成立的。成立的。 3 3、当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能、当研究物体表面对太阳能的吸收时，一般不能把物体当作灰体处理。把物体当作灰体处理。华北电力大学华北电力大学例、北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。例、北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。试问树叶上、下面的哪一面结霜试问树叶上、下面的哪一面结霜? ?为什么为什么? ?答

20、：霜会结在树叶的上表面。因为清晨，上表面答：霜会结在树叶的上表面。因为清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。而太空表面的温度朝向太空，下表面朝向地面。而太空表面的温度低于摄氏零度，而地球表面温度一般在零度以上。低于摄氏零度，而地球表面温度一般在零度以上。由于相对树叶下表面来说，其上表面需要向太空由于相对树叶下表面来说，其上表面需要向太空辐射更多的能量，所以树叶下表面温度较高，而辐射更多的能量，所以树叶下表面温度较高，而上表面温度较低且可能低于零度，因而容易结霜。上表面温度较低且可能低于零度，因而容易结霜。梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学

21、高等传热学)(212, 1bbEEA有效辐射有效辐射角系数角系数四、辐射换热的计算四、辐射换热的计算华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学（1 1）角系数的定义）角系数的定义角系数是纯几何因子角系数是纯几何因子. .我们把从表面我们把从表面1 1发出的辐发出的辐射能中落到表面射能中落到表面2 2上的百上的百分数分数, ,称为表面称为表面1 1对表面对表面2 2的角系数的角系数, ,记为记为2, 12, 1或X华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学（2 2）角系数的性质）角系数的性质 研究如图示中微元面研究如图示中微元面d dA A1 1到另一个微

22、元面到另一个微元面d dA A2 2的的角系数，根据定义得：角系数，根据定义得：角系数的相对性角系数的相对性221211222111b2, 1coscoscoscosrdAdIrdAdAIXAbdd 122122112, 1coscos1AAdAdArAX1 , 222, 11XAXA华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学 在几个表面组成的封在几个表面组成的封闭系统中，任一个表面闭系统中，任一个表面对封闭腔各个表面的角对封闭腔各个表面的角系数之和等于系数之和等于1 1。角系数的完整性角系数的完整性1.1, 1, 13 , 12 , 11 , 1niinXXXXX华北电力

23、大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学角系数的可加性角系数的可加性baXEAXEAXEA, 1b11, 1b112, 1b11baXXX, 1, 12, 1可加性只是对逗号后边的角码是可加的可加性只是对逗号后边的角码是可加的华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学(3)(3)角系数的计算角系数的计算1)1) 定义法定义法111 , 22 , 1XX001 ,22,1XX11 , 2X?2, 1X华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学2)2)直接积分法直接积分法华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学华北电力大学

24、华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学3)3)代数分析法代数分析法利用角系数的相对性、完整性及可加性。利用角系数的相对性、完整性及可加性。1 12 2完整性1= X+ X 1= X+ X1= X+ X3,23,12,32,11,31,2相对性2, 333 , 221 , 333 , 111 , 222, 11XAXAXAXAXAXA13212, 12AAAAX华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学的断面长度表面不交叉线之和交叉线之和122)()(2 , 1AabbdacadbcX华北电力大学华北电

25、力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学2 2、有效辐射、有效辐射 单位时间离开物体单位面积的总辐射能为有效单位时间离开物体单位面积的总辐射能为有效辐射，记为辐射，记为J J 。单位。单位W/m211111111)1 (GEGEJbbEGEJ对于黑体对于黑体华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学(1) (1) 辐射网络的主要热阻辐射网络的主要热阻1 , 2222, 1112, 1XJAXJA2, 1121212, 111)(XAJJJJXA1 , 22212, 11XAEEbb 空间辐射热阻空间辐射热阻表面表面1 1表面表面2 211 ,TA22 ,TA如果是黑体如

26、果是黑体华北电力大学华北电力大学梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学1J1111A 任意物体表面与外界的辐射换热量（辐射散任意物体表面与外界的辐射换热量（辐射散热量）与有效辐射热量）与有效辐射J J 之间的关系：之间的关系：1111111111)(AJEAGJb表面辐射热阻表面辐射热阻华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学(2)(2)网络法辐射换热网络法辐射换热)(111212, 112222, 11111212, 1bbsbbEEXAAXAAEE 称为系统黑度称为系统黑度 s华北电力大学华北电力大学梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学2222, 11111212, 1111A

27、XAAEEbb212, 11AAX11121212, 11bbEEqq华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学三个表面组成的封闭系统三个表面组成的封闭系统画出等效的网络图画出等效的网络图华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学列出节点的热流方程列出节点的热流方程njjiijiiiiiiXAJJAJE1,b11上面三个表面组成的封闭系统中节点上面三个表面组成的封闭系统中节点J J1 1的方程为：的方程为：3 , 11312, 112111111b111XAJJXAJJAJE华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学求解由各节点方程组

28、成的方程组，得到求解由各节点方程组成的方程组，得到J J1 1、J J2 2等等确定每个表面的净辐射换热量或任意两个表面间的确定每个表面的净辐射换热量或任意两个表面间的辐射换热量。辐射换热量。iiiiiiAJE1bjiiijijiXAJJ,1华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学黑体表面黑体表面01iiiA因此有：因此有：iiJEb华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热学重辐射面重辐射面33bJE 与黑体表面情况的区别，重辐射面的温度是与黑体表面情况的区别，重辐射面的温度是待定的。待定的。华北电力大学华北电力大学梁梁 秀秀 俊俊 高等传热学高等传热

29、学1）定义：）定义：表面表面1发出的辐射能中最终被表面发出的辐射能中最终被表面2吸收的份额，称吸收的份额，称为表面为表面1对表面对表面2的吸收因子，记作的吸收因子，记作B1,2(1)(1)吸收因子吸收因子2 2）吸收因子的性质）吸收因子的性质相对性相对性1 , 2222, 111BABA完整性完整性11, 1niiB华北电力大学华北电力大学梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学(2)(2)表面辐射散热分析表面辐射散热分析GAAE根据吸收因子的定义，在封闭系统中，任意表面根据吸收因子的定义，在封闭系统中，任意表面j j的的净辐射散热为净辐射散热为iniijijjjAEBEA1,1 1对对j j的吸收因子为的吸收因子为mnmmjmjjjXBXB1, 1, 1, 1类似类似mnmmijmjijjiXBXB1,华北电力大学华北电力大学梁秀俊梁秀俊高等传热学高等传热学21njiniijijjjAEBEA1,211 ,11iiiEBEq22, 11 , 211 , 11 , 11 , 111 , 1XBXBXBmmmimiiXBXB21,1 ,1 ,11 ,222, 11 , 1110XX)1 (21 , 21 , 1 BB1 , 21 , 1BBmnmmijmjijji