热量传输之热辐射

1、第六章 辐射换热13 3 辐射换热辐射换热第六章 辐射换热23.1 热辐射的基本概念(1) 热辐射特点热辐射特点1) 定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；2) 特点：特点：a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热，就会不停地向周围空间发出热辐射；辐射；b 可以在真空中传播；可以在真空中传播；c 伴随能量形式的转变；伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方具有强烈的方向性；向性；e 辐射能与温度和波长均有关；辐射能与温度和波长均有关；f 发射辐射取决于温度的发射辐射取决于温度的4次方。次方。(2) 电磁

2、波谱电磁波谱电磁辐射包含了多种形式，如图所示，而我们所感兴趣的，即工业上有电磁辐射包含了多种形式，如图所示，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为实际意义的热辐射区域一般为0.1100m。电磁波的传播速度：电磁波的传播速度： c = f 式中式中：f 频率，频率，s-1; 波长，波长，m第六章 辐射换热3电 磁 辐 射 波 谱第六章 辐射换热4当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生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，如图所示。三种现象，即吸收、反射和穿透，如图所示。11QQQQQQQQQQ(3)(3) 物体对热辐射的吸收、反射和穿透物体对热辐射的

3、吸收、反射和穿透 物体对热辐射的吸收、物体对热辐射的吸收、反射和穿透反射和穿透第六章 辐射换热5对于大多数的固体和液体：对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于不含颗粒的气体：对于黑体：对于黑体： 镜体或白体：镜体或白体：1111,01,0透明体：透明体：反射又分镜面反射和漫反射两种：反射又分镜面反射和漫反射两种：镜面反射镜面反射漫反射漫反射第六章 辐射换热6(1)(1)黑体概念黑体概念黑体：是指能吸收投入到其表面黑体：是指能吸收投入到其表面上的所有热辐射能的物体，是上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人活中是不存在的。

4、但却可以人工制造出近似的人工黑体。工制造出近似的人工黑体。图图3-5 黑体模型黑体模型3.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律第六章 辐射换热71.辐射力辐射力E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量的总和。的能量的总和。 (W/m2)；2.单色辐射力单色辐射力E：单位时间内，单位波长范围内单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长包含某一给定波长)，物，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。体的单位表面积向半球空间发射的能量。 (W/m2m)；(2)(2)热辐射能量的表示方法热辐射能量的表示方法E、E关系关系:显

5、然，显然， E和和E之间具有如下关系之间具有如下关系：0EE d黑体一般采用下标黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的单色，黑体的单色辐射力辐射力为为Eb3.黑度黑度：物体的辐射力与同温度下黑体辐射力之比称黑度。表征物体的辐射力与同温度下黑体辐射力之比称黑度。表征着物体辐射力接近于黑体辐射的程度。着物体辐射力接近于黑体辐射的程度。 1 1 黑体黑度黑体黑度1 1第六章 辐射换热8(3)黑体辐射的三个基本定律及相关性质黑体辐射的三个基本定律及相关性质 251()1bcTcEe式中，式中， 波长，波长，m m ； T T 黑体温度，黑体温度，K K ； c c1

6、 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； 1)Planck定律定律（描述了黑体的单色辐射力与波长、热力学温度之间的函数关系）描述了黑体的单色辐射力与波长、热力学温度之间的函数关系）左图是根据上式描绘的黑体单色辐左图是根据上式描绘的黑体单色辐射力随波长和温度的依变关系。射力随波长和温度的依变关系。极大值所对应的波长极大值所对应的波长m与与T 的关系的关系由由Wien位移定律给出。位移定律给出。32.8976 10mTm KWien 定律的

7、图示定律的图示第六章 辐射换热92)Stefan-Boltzmann定律定律（描述了黑体辐射力与热力学温度之间的关系）（描述了黑体辐射力与热力学温度之间的关系） 2541()001bbcTcEE ddTe式中，式中，= 5.6710-8 w/(m2 K4)，是，是Stefan-Boltzmann常数，亦称黑常数，亦称黑体的辐射常数。体的辐射常数。为便于工程计算常写成如下形式：为便于工程计算常写成如下形式：40100bTECC0= 5.67 w/(m2 K4)，称为黑体的辐射系数。，称为黑体的辐射系数。第六章 辐射换热102ddsin d dcAr 立体角立体角定义：球面面积除以球半径的平方称为

8、立体角，单位：定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：Sr(球面度球面度)，如，如下图所示：下图所示：3) Lambert 定律定律（描述了辐射能在不同方向上的分布规律）（描述了辐射能在不同方向上的分布规律）第六章 辐射换热11定义：定义：单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量，参见图。内发射的一切波长的能量，参见图。 ( , )d ( , )d cos dQLA 定向辐射强度定向辐射强度L( , )： 定向辐射强度的定义图定向辐射强度的定义图( , )d ( , )cosd dQLA 它说

9、明黑体的定向辐射力随天顶角它说明黑体的定向辐射力随天顶角 呈余弦规律变化，见下图，因此，呈余弦规律变化，见下图，因此， Lambert定律也称为余弦定律。定律也称为余弦定律。Lambert 定律定律:第六章 辐射换热12Lambert定律图示定律图示( ,)( ,)2dELL 沿半球方向积分上式，可获得半球辐射强度沿半球方向积分上式，可获得半球辐射强度E:第六章 辐射换热131.1.投射辐射（投入辐射）投射辐射（投入辐射）：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能。：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能。 2.2.选择性吸收选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际物体对投入：投入辐射本

10、身具有光谱特性，因此，实际物体对投入 辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变化，这叫选择性吸收。辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变化，这叫选择性吸收。3.3.吸收比吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用 表示表示，即，即吸收的能量投入的能量3.3 实际固体的吸收比和克希霍夫定律第六章 辐射换热144.光谱吸收比光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数，也：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数，也叫叫单色吸收比单色吸收比。光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选。光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。择性吸收的特性。能

11、量投入的某一特定波长的能量吸收的某一特定波长的),(1T下两图分别给出了室温下几种材料的光谱吸收比同波长的关系。下两图分别给出了室温下几种材料的光谱吸收比同波长的关系。金属导电体的光谱吸收比同波长的关系金属导电体的光谱吸收比同波长的关系第六章 辐射换热15非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系灰体灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时，不管投入辐射此时，不管投入辐射的分布如何，吸收比的分布如何，吸收比 都是同一个常数。都是同一个常数。第六章 辐射换热16Kirchhoff 定律：定律：如图所示，板如图所示，板1是黑体

12、，板是黑体，板2是任意物是任意物体，参数分别为体，参数分别为Eb, T1 以及以及E, , T2，则，则当系统处于热平衡时，有：当系统处于热平衡时，有： bbEEEE平行平板间的辐射换平行平板间的辐射换热热说明：在热力学平衡状态下，物体的吸收说明：在热力学平衡状态下，物体的吸收率等于它的黑度率等于它的黑度(即该物体的发射率即该物体的发射率)。第六章 辐射换热17Kirchhoff定律的限制条件：定律的限制条件：整个系统处于热平衡状态；整个系统处于热平衡状态；如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者只有如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者只有处于同一温度下的值才能相等；处于同一温度下的值才能

13、相等；投射辐射源必须是同温度下的黑体。投射辐射源必须是同温度下的黑体。第六章 辐射换热183.4 角系数的定义、性质及计算 前面讲过，热辐射的发射和吸收均具有空间方向特性，因此，表面前面讲过，热辐射的发射和吸收均具有空间方向特性，因此，表面间的辐射换热与表面几何形状、大小和各表面的相对位置等几个因素均间的辐射换热与表面几何形状、大小和各表面的相对位置等几个因素均有关系，这种因素常用角系数来考虑。角系数的概念是随着固体表面辐有关系，这种因素常用角系数来考虑。角系数的概念是随着固体表面辐射换热计算的出现与发展，于射换热计算的出现与发展，于20世纪世纪20年代提出的，它有很多名称，如，年代提出的，它

14、有很多名称，如，形状因子、可视因子、交换系数等等。但叫得最多的是角系数。值得注形状因子、可视因子、交换系数等等。但叫得最多的是角系数。值得注意的是，角系数只对漫射面意的是，角系数只对漫射面(既漫辐射又漫发射既漫辐射又漫发射)、表面的发射辐射和投射、表面的发射辐射和投射辐射均匀的情况下适用。辐射均匀的情况下适用。(1) 角系数的定义角系数的定义 在介绍角系数概念前，要先温习两个概念在介绍角系数概念前，要先温习两个概念1)投射辐射：投射辐射：单位时间内投射到单位面积上的总单位时间内投射到单位面积上的总辐射能，记为辐射能，记为G。2)有效辐射有效辐射：单位时间内离开单位面积的总辐射单位时间内离开单位

15、面积的总辐射能为该表面的有效辐射，参见图能为该表面的有效辐射，参见图 。包括了自身的。包括了自身的发射辐射发射辐射E和反射辐射和反射辐射 G。有效辐射示意图有效辐射示意图 第六章 辐射换热19 角系数角系数：有两个表面，编号为：有两个表面，编号为1和和2，其间充满透明介质，则表面，其间充满透明介质，则表面1对表面对表面2的角系数的角系数 是：表面是：表面1直接投射到表面直接投射到表面2上的能量，占表面上的能量，占表面1辐射能量的百分比。辐射能量的百分比。1,2121表面 对表面 的投入辐射表面 的有效辐射同理，也可以定义表面同理，也可以定义表面2对表面对表面1的角系数。从这个概念我们可以得出角

16、的角系数。从这个概念我们可以得出角系数的应用是有一定限制条件的，即系数的应用是有一定限制条件的，即漫射面、等温、物性均匀。漫射面、等温、物性均匀。（1）1,2即：对于两个任意放置的平面，由第一个表面辐射到第即：对于两个任意放置的平面，由第一个表面辐射到第二个表面的能量占第一个表面所辐射出的总能量的份数，二个表面的能量占第一个表面所辐射出的总能量的份数，叫做第一个表面对第二个表面的角系数。叫做第一个表面对第二个表面的角系数。 第六章 辐射换热20 微元面对微元面的角系数微元面对微元面的角系数 如图所示，黑体微元面如图所示，黑体微元面dA1对微元面对微元面dA2的角系数，根据前面的定义式的角系数，

17、根据前面的定义式有：有：1112121, 22b11cosd ddcoscosE dbddLAAAr类似地有类似地有1122, 12dcoscosddAr微元面对面的角系数微元面对面的角系数 由角系数的定义可知，微元面由角系数的定义可知，微元面dA1对面对面A2的角系数为的角系数为两微元面间的辐射两微元面间的辐射(2a)(2b)第六章 辐射换热212221, 21, 21,21, 211ddAdddddAAddQQQQ 12,12,1dddA面对面的角系数面对面的角系数 面面A1对面对面A2的角系数以及面的角系数以及面A2对面对面A1的角系数分别为的角系数分别为121212121,21, 21

18、211coscosd d11dd dAAAAA AAArA 微元面微元面dA2对面对面A1的角系数则为的角系数则为121212122,12, 12222coscosd d11dddAAAAA AAArA (4b)(3b)(4a)(3a)第六章 辐射换热22(2) 角系数性质角系数性质相对性相对性 由式由式(2a)和和(2b)可以看出可以看出11,222, 1ddddddAA1122, 12dcoscosddAr1112121, 22b11cosd ddcoscosE dbddLAAAr1212121112121, 2b1111b112211,21,2211b11b1112211, 21211c

19、osddAcosdcosdAdAcoscosd11dAdAddAAAAAAdAAddAAAAQLLAQQAL rQLAArA 第六章 辐射换热23 由式由式(4a)和和(4b)也可以看出也可以看出11,222,1AA 以上性质被称为角系数的以上性质被称为角系数的相对性相对性。121212121,21, 21211coscosd d11dddAAAAA AAArA 121212122,12, 12222coscosd d11dddAAAAA AAArA 第六章 辐射换热241,11,21,31,1,11nnii上式称为角系数的完整性。若表面上式称为角系数的完整性。若表面1为非凹为非凹表面时，表面

20、时，1,1 = 0。 角系数的完整性角系数的完整性完整性完整性 对于有对于有n个表面组成的封闭系统，见下图所示，据能量守恒可得个表面组成的封闭系统，见下图所示，据能量守恒可得:第六章 辐射换热25角系数的可加性1,21,21,2111,2111,2111,21,21,21,2ABbbAbBABQQQAEAEAE可加性可加性 如图所示，表面如图所示，表面2可分为可分为2a和和2b两个面，两个面，当然也可以分为当然也可以分为n个面，则角系数的可加性为个面，则角系数的可加性为1 , 21 , 21nii第六章 辐射换热263.5 3.5 被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热被透明介质隔开的两固体表

21、面间的辐射换热（1）黑体表面）黑体表面 如图所示，黑体表面如图所示，黑体表面1和和2之间的辐之间的辐射换热量为：射换热量为：44121,211 1,2222,11 1,2121 1,2()1001012210bbbbTTQAEA EAEEA0表面 发出 表面 发出的热辐射的热辐射到达表面到达表面的部分C的部分第六章 辐射换热27对于两个互相平行的黑体表面：对于两个互相平行的黑体表面：444412121,21 1,2100100100100TTTTQAA00CC44121,2100100TTq0C热流量：热流量：热流密度：热流密度：第六章 辐射换热28(2) 漫灰表面漫灰表面 灰体间的多次反射给

22、辐射换热的计算灰体间的多次反射给辐射换热的计算带来麻烦，此时需要采用前面讲过的投带来麻烦，此时需要采用前面讲过的投射辐射射辐射G和有效辐射和有效辐射J的概念。的概念。下面来分析两个等温漫灰表面封闭系统内的辐射换热情况。下面来分析两个等温漫灰表面封闭系统内的辐射换热情况。如图所示，两个表面的净换热量为如图所示，两个表面的净换热量为:两个物体组成的辐射换热系统两个物体组成的辐射换热系统第六章 辐射换热291,2111,2222,21121QA JA J表面 发出的有表面 发出的有效辐射到达表效辐射到达表面 的部分面 的部分根据下式及能量守恒有根据下式及能量守恒有11111,2122222,121,

23、22,11111bbJ AAEQJ AA EQQQ 1(1)bJEq第六章 辐射换热30于是有于是有:121,2121111,222111bbEEQAAA1121,2111,222()11111bbA EEQAA第六章 辐射换热31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)与黑体辐射换热比较，与黑体辐射换热比较，灰体辐射灰体辐射多了一个多了一个 ，它是考，它是考虑由于灰体系统多次吸收与反射对换热量影响的因子。虑由于灰体系统多次吸收与反射对换热量影响的因子。s111,222111111sAA则灰体表面辐射换热量：则灰体表面辐射换热量：1,2114412201100100()sb

24、bsTTCAQA EE第六章 辐射换热32表面表面1为凸面或平面，此时，为凸面或平面，此时， 1,21，于是，于是表面积表面积A1比表面积比表面积A2小得多，即小得多，即A1/A2 0 于是于是1s表面积表面积A1与表面积与表面积A2相当，即相当，即A1/A2 1 于是于是121111s1111,2221221111111111sAAAA上式在某些情况下可以简化：上式在某些情况下可以简化：第六章 辐射换热33l由上式可以看出，为了增强辐射热交换，显然要由上式可以看出，为了增强辐射热交换，显然要提高辐射物体的温度和增加系统黑度，相反，为提高辐射物体的温度和增加系统黑度，相反，为了减少辐射换热，就

25、必须降低辐射物体的温度或了减少辐射换热，就必须降低辐射物体的温度或减小黑度。如果温度不能变化，可以采用遮热板减小黑度。如果温度不能变化，可以采用遮热板来减少辐射换热。来减少辐射换热。1,2114412201100100()sbbsTTCAQA EEl有遮热板存在时的辐射热交有遮热板存在时的辐射热交换换-灰体表面辐射换热量灰体表面辐射换热量第六章 辐射换热34 设有两个平行平面，设有两个平行平面，在它们中间装设一薄片在它们中间装设一薄片遮热板，如图所示。该遮热板，如图所示。该二平面和遮热板的温度二平面和遮热板的温度分别为分别为T1、T2和和Tc，且，且T1T2，遮热板和两平面，遮热板和两平面的黑

26、度假定相同的黑度假定相同1=2=c。在没有遮热板时，两表在没有遮热板时，两表面所交换的热量为：面所交换的热量为：第六章 辐射换热354412120100100sTTqC（）有了遮热板之后，从第一个表面传到遮热板的热量为有了遮热板之后，从第一个表面传到遮热板的热量为44110100100ccsTTqC（2）从遮热板到第二个表面所传递的热量为从遮热板到第二个表面所传递的热量为44220100100ccsTTqC（3）C0-黑体的辐射系数。其值为黑体的辐射系数。其值为5.67w/m2k444121,201100100sTTQCA121111s第六章 辐射换热36 因为因为1=2=c，所以，所以 ，当

27、体系达到稳定状态，当体系达到稳定状态，sss12ccqq444412100100100100ccTTTT（4）即即:整理得整理得4442100100100cTTT（5）把式（把式（5）代入式（）代入式（2）或式（）或式（3）得）得第六章 辐射换热37比较式（比较式（1）和公式（）和公式（6）可得）可得44220100100ccsTTqqC(6)121212ccqqq该式表明，装上一块薄遮热板的结果，使传热量减少一半。同样可以该式表明，装上一块薄遮热板的结果，使传热量减少一半。同样可以证明，装上证明，装上n块遮热板，传热量可以减少到原有传热量的块遮热板，传热量可以减少到原有传热量的1/（n+1）

28、,即即11nqqn第六章 辐射换热38例题：两个相互平行且相距很近的无限大平壁，例题：两个相互平行且相距很近的无限大平壁，已知已知t1=500，t2=200，其黑度为，其黑度为1=2=0.5，求（求（1）两表面之间的热流密度，（）两表面之间的热流密度，（2）当两表）当两表面之间放置一黑度为面之间放置一黑度为3=0.5的隔热屏时，两表的隔热屏时，两表面之间的热流密度又是多少？（黑体辐射系数面之间的热流密度又是多少？（黑体辐射系数C0=5.675w/m2k4）第六章 辐射换热39例题：钢管长度为钢管长度为3m，直径为，直径为70，管壁温度为，管壁温度为T1=500K，将其放，将其放置于截面为置于截面为0.30.3m2的砖槽内，槽内温度的砖槽内，槽内温度T2=300K。求：该钢管的辐射热损失。求：该钢管的辐射热损失。 第六章 辐射换热40l解：解：设钢管壁面为设钢管壁面为1面，砖壁为面，砖壁为2面面则钢管与砖壁之间的辐射换热量为则钢管与砖壁之间的辐射换热量为 44121201100100sTTQCA121由于砖槽包围