材料工程基础课件：3-3 辐射换热

1、3.3 辐射换热(Radiation Heat Transfer) 3.3.1基本概念3.3.2基本规律3.3.3两固体间辐射换热计算3.3.4 气体辐射与火焰辐射2022/7/2813.3.1 基本概念一什么是热辐射？有何特点？用哪些参数表示（掌握）二描述热辐射的发射和吸收过程有哪些基本特性及相应的描述参数？（掌握）2022/7/2823.3.1基本概念 一. 什么是热辐射？有何特点？（掌握）热辐射：由热的原因而发出的辐射能过程。 特点：（1）温度0K，物体就会连续不断向外发射能量;（2）在真空中可以传递;（3）具有能量形式的转换;（4）具有方向性（方向特性）;（5）辐射能量与温度和 波长有

2、关（频谱特性）。工业上： 0.381000m其中：可见光（0.38-0.76m） 红外线（0.76-1000m） 2022/7/2831、辐射和吸收特性2、频谱特性3、方向特性二. 热辐射有哪些基本特性？相应的描述参数有哪些？（掌握）2022/7/284吸收热能 低温物体热能高温物体辐射能流（热射线）GGRGDGA穿透 与中间介质无关而由电磁波传输反射 1、辐射和吸收特性：2022/7/285（1）吸收率A、反射率R、透过率D：投射到表面积上的总能量中被表面所吸收的百分比称为吸收率A；吸收率为1的物体 称为绝对黑体,简称黑体；经表面反射出去的百分比称为反射率R；反射率为1的物体称为镜体；入射角

3、等于反射角称为镜体；漫反射称为白体经表面穿过物体的百分比称为透过率D；透过率D为1的物体 称为透热体。GGAGRGD1、辐射和吸收特性：吸收率 反射率透过率2022/7/286 固体、液体：对辐射能的吸收只在物体表面薄层内进行，可认为其透射率：D=0辐射能的吸收、反射和透过表面辐射 气体：对热辐射几乎不能反射，即： R=0对称的双原子气体、纯净空气，可认为其基本不吸收辐射能，即A0体积辐射2022/7/287（1）辐射力E，也称全色辐射力单位时间内，单位辐射面积向半球空间辐射出去的一切波长的辐射能量。用“E”表示，单位：【W/m2】2、频谱特性：辐射能量随波长分布关系称为热辐射的 频谱特性。其

4、描述参数dFdQdQ为微元面积dF向半球空间辐射出去的总能量2022/7/288热辐射能量的表示方法（掌握）（2）单色辐射力（光谱辐射力）E 单位时间内单位辐射面积向半球空间辐射出去的某一波长范围的辐射能量。对黑体：辐射力和单色辐射力之间的关系：2022/7/289dFd辐射强度I ：在某个方向上，单位时间，单位可见面积向该方向上单位立体角内所辐射出去的能量方向辐射力E （定向辐射力）：单位时间单位辐射面积向半球空间中某一个方向上单位立体角内辐射的所有波长的辐射能量。3、方向特性：热辐射及投射热辐射的能量在半球空间中的分布关系称为热辐射的方向特性。描述参数有方向辐射力E 、辐射强度I 、方向黑

5、度 、方向吸收率2022/7/2810立体角：球面面积除以球半径的平方称为立体角OOAB平面角度量方法:以O点为圆心,任画一园，将线段AB投影到该圆周上所得弧长与半径之比即是该平面角大小的数值立体角度量方法: 以O点为球心，任画一球体，将该曲面投影到球面上所得投影面积与球径平方之比即为该立体角大小的数值dF2022/7/2811微元立体角d2022/7/28123.3.2 黑体辐射的基本规律1什么是普朗克定律？根据该定律可以得到哪些定性结论？（了解）2什么是维恩位移定律？它有何用处？（理解）3什么是斯蒂芬-玻尔兹曼定律？它有何意义？（掌握）4. 什么是兰贝特定律？（理解）5什么是克希霍夫定律？

6、有何物理意义？它的前提条件是什么？（掌握）6什么是灰体？它有哪些特性?（掌握）2022/7/28133.3.2黑体辐射的基本规律 1什么是普朗克定律？根据该定律可以得到哪些定性结论？（了解）（1）表达式，1900年由量子理论提出（2）物理意义：该定律说明了不同温度下，绝对黑体的单色辐射力（或能量分布）按波长分布的规律。Max Planck 1858 -1947 Germany physicist C1第一辐射常数，3.74310-16w/m2C2第二辐射常数，1.438810-2w.k2022/7/2814（3）根据该定律可以得到哪些定性结论? 1600K1400K1200K1000K800K

7、0 1 2 3 4 5 6 m 发射辐射随波长连续变化且有一最高峰。 任一波长下，温度越高, 单色辐射力越大。 温度越高，能量分布越集中；最大单色辐射力的位置随温度的升高，向短波方向移动。 太阳辐射能中大部分在可见光区域。 T800K的发射辐射，主要在波谱的红外线区。T1000K，随着T的提高，物体从暗红、亮红、黄色变为白炽光2022/7/28152什么是维恩位移定律?它有何用处？如：太阳max = 0.5m T = 5792 KWilhelm Wien 1864 -1928 Germany physicist 1895年 物理意义：反映黑体的最大单色辐射力所对应波长max与温度T之间的关系说

8、明高温辐射中短波辐射含量大而长波辐射含量小。 用途： 是光学高温计和比色高温计测温的理论根据 2022/7/28163什么是斯蒂芬-玻尔兹曼定律？（掌握）Ludwig Boltzmann 1844 -1906 Italy physicist 物义：说明黑体的辐射能力与绝对温度的四次方成正比， 而且仅与温度有关。 是辐射式温度计测温的理论根据。Eb黑体的辐射能力 w/m2=5.67108 w/m2K4C0黑体的辐射系数，C0=5.67 w/m2.k4T黑体的绝对温度2022/7/2817（2）实际物体的四次方定律黑体：实际物体的四次方定律： 黑度：表示实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比。

9、单色黑度 实际物体辐射力并不严格的遵守四次方定律现行的处理方法是将所有物体的辐射力取与绝对温度的四次方成正比，而将由此引起的误差放到黑度中修正。将实际表面近似为漫散射表面（符合Lamberts Law）2022/7/28184什么是兰贝特余弦定律（1860年）？（掌握） 当物体表面是漫射体时，上式仍然成立(将Eb换成E)黑体辐射力Eb与辐射强度Ib的关系对黑体的辐射强度对黑体的方向辐射力说明：黑体的方向辐射能力与辐射强度之比正比于表面法线方向 夹角的余弦。黑体法线方向（ =0）上的方向辐射力最大。n2022/7/2819(1)定律：板1为黑体，板2是任意物体，当系统处于热平衡时，对物体2有 平

10、行平板间的辐射换热5什么是克希霍夫定律？它的前提条件是什么？（掌握）(2)、物理意义：任何物体的辐射力与其吸收率之比恒等于同温度下黑体的辐射力，且仅与温度有关。Q吸=Q发或(3)前提条件：系统处于热平衡状态；2022/7/28206什么是灰体？它有哪些特性？（掌握）灰体：指单色黑度与波长无关的物体灰体具有以下特点：单色辐射力与同温度下的黑体的单色辐射力相似单色黑度为常数且与总黑度相等灰体的吸收率没有选择性，只取决于表面状态和温度。当物体表面是灰体时，克希霍夫定律仍然成立，即：灰体黑度与吸收率相等大多数固体表面可近似作为灰体处理。1.黑体；2.A0.7灰体； 3. A0.4灰体；4.实际物体20

11、22/7/28213.3.3 物体之间的辐射换热计算1什么是角系数？它有哪些基本性质？2如何计算两表面间的角系数？3如何计算两黑表面之间的辐射换热量？4. 如何计算实际物体（灰体）之间的辐射换热量？2022/7/28221什么是角系数？它有哪些基本性质？dF11d1dF2角系数的定义：表面1向半球空间辐射出去的能量落到表面2上的百分数称为表面1对表面2的角系数，即:返回角系数仅与两个表面的形状、大小、距离及相对位置有关，而与表面的发射率、温度无关，纯属几何参数，不仅适合于黑体，也适用于其它符合漫辐射及漫反射的物体2022/7/2823 角系数有哪些基本性质?完整性:自见性:平面与凸面凹面相对性

12、:兼顾性:返回常见的角系数见P176表2-5分解性:2022/7/2824 角系数有哪些基本性质?(掌握)完整性:A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 返回2022/7/2825自见性:F1 F1 F1 角系数有哪些基本性质?(掌握)平面与凸面凹面返回2022/7/2826相对性: 角系数有哪些基本性质?(掌握)返回2022/7/2827兼顾性:F1 F3 F2 角系数有哪些基本性质?(掌握)返回2022/7/2828角系数性质及其确定方法分解性: F2F1F3F4返回2022/7/28292如何计算两表面间的角系数？确定方法:1) 直接积分(不要求)2) 查公式表(参见P289附录九)3

13、) 代数法(利用角系数性质推算,参见表2-5）2022/7/2830 两物体组成的封闭空间 如：无限大平行平板，距离很近的同轴管壁的夹层等。例：角系数的确定方法2022/7/2831例：角系数的确定方法 一个平面和一个曲面组成的封闭系统由角系数的完整性和自见性得：由角系数相对性：返回2022/7/28323如何计算两黑表面之间的辐射换热量？如图：两无限大的平行平面，均为黑体，两表面间的介质对热辐射是透明的试求：两黑表面之间的净辐射换热量推导：R1,2辐射空间热阻2022/7/2833 黑体辐射网络模拟电路定义(1) 简单辐射换热网络：仅有两个表面参与的辐射换热网络,是任何辐射换热网络的基本构成

14、单元模拟电势：模拟电流：模拟电阻：模拟电路图 Eb1Eb2每一对表面就有一个辐射空间热阻辐射空间热阻2022/7/2834（2）辐射网络模拟电路法: 确定参与辐射换热的表面以参与辐射换热的每个表面作为网络的一个节点用模拟电阻连接相应的每两个互见表面节点，则组成了辐射换热网络图利用电路原理求解该网络，可得任意两个表面之间热流（支路电流），任意表面的辐射力（节点电位）Eb1Eb22022/7/2835例1回转窑表面温度400、环境温度20，假定表面为黑表面，求回转窑表面以辐射换热方式向环境散热热流密度？解：1）确定辐射网络图Eb1Eb22）利用电路原理求解辐射网络2022/7/28364. 如何计

15、算实际物体（灰体）之间的辐射换热量？（1）什么是有效辐射与投入辐射？（掌握）（2）辐射表面热阻、辐射空间热阻是如何定义的？（掌握）（3）如何计算两灰体表面之间的辐射换热？（掌握）2022/7/2837有效辐射J:单位时间内离开表面的单位面积上的总辐射能，记为J。投入辐射G：单位时间外界投射到表面单位表面的总辐射能,称为投入辐射。记为G净辐射换热量：记为Qnet12（1）什么是有效辐射与投入辐射？（掌握）有效辐射示意图返回2022/7/2838（2）辐射表面热阻是如何定义的？（掌握）G（1-A）GE=Eb表面热阻的来源？（了解）（1）代入（1）式辐射表面热阻Q表面与外界所有表面交换的净辐射换热量

16、物体的净辐射换热量如下：2022/7/2839表面的热电模拟图网络图是表面辐射热势差即模拟电位差. 辐射表面热阻即模拟电阻(掌握)可见：每一个表面向外发出辐射能时，均会遇到一个辐射表面热阻。如果物体是黑体，则A=1 即黑体的表面热阻等于零辐射表面热阻辐射换热的热电模拟法（掌握）返回2022/7/2840设两表面间的介质对热辐射是透明的，达到热平衡时（3）如何计算两灰体表面之间的辐射换热？（掌握）辐射空间的热电模拟图是辐射空间热势差即模拟电位差. 辐射空间热阻即模拟电阻可见：每两个表面间都有一个辐射空间热阻。辐射空间热阻是如何定义的？（掌握）J1 12 F1J2 21 F2 Q122022/7/

17、2841 热电模拟法： 过程的推动力:Eb1-Eb2 系统总阻力：物体1的表面热阻+ 物体1与物体2间的空间热阻+ 物体2的表面热阻. 传递的量：辐射换热量Q。（3）任意两灰表面之间交换的净辐射换热量如何计算？F1表面热阻空间热阻F2表面热阻返回2022/7/2842（4）计算两灰体表面之间的辐射换热方法辐射网络模拟电路画法: （理解）1）确定参与辐射换热的所有表面2）分别以参与辐射换热的每个表面的黑体辐射和有效辐射作为网络的节点3）以表面所对应的黑体辐射力作为该表面黑体辐射节点的模拟电位，有效辐射作为该表面的有效辐射节点的模拟电位4）以表面热阻为模拟电阻并连接该表面对应的黑体辐射节点和有效辐

18、射节点5）以空间热阻为模拟电阻连接每两个表面有效辐射节点，则组成了辐射换热网络图6）利用电路原理求解该网络2022/7/2843两无限大平壁，其表面温度分别为1200k、300k,表面黑度均为0.8，试求两表面之间辐射换热热流密度？解：1）确定辐射网络图Eb1Eb2J1J22）写出辐射换热计算式（F1=F2；12=1）例二：仅有两个漫射灰表面组成的封闭空间的辐射换热计算3）分析换热量公式2022/7/2844Eb1Eb2J1J212回转窑表面温度400、环境温度20，假定表面为灰表面 求回转窑表面以辐射换热方式向环境散热热流密度？ 思路同上。2022/7/2845例三：热电偶测温原理热空气在4

19、269mm的钢管内通过，热空气的温度用一个装在外径为15mm的瓷保护管中的热电偶来测量，已知钢管内壁温度为110，热电偶读数（即瓷管温度）为220 ，瓷管的黑度为0.8，空气向瓷管的对流换热系数为52.4w/m3. ,设瓷管的热传导可忽略不计。试求由于热电偶保护管向钢管壁的辐射换热而引起的测量相对误差（%）？并求出空气的实际温度。2022/7/2846解：在稳定传热时：（1）热空气以对流方式传给热电偶接点的热量：（2）热电偶接点与管壁之间的辐射换热量为：t1t2tf2022/7/2847怎样减少测温误差？（1）热接点的表面黑度要小（1 ）（2）对流换热系数要大（h）如抽气式热电偶（3）热接点与

20、排气管壁之间加遮热罩；（4）排气管道外敷设绝热层使tw提高。 （3）当热电偶接点处于热平衡时，热电偶接点的温度稳定。 此时：测温误差故：测温误差较大。2022/7/2848例四、有遮热板或遮热罩的辐射换热计算目的:减少两表面间的辐射换热量作用:遮热板即不放出热量,也不吸收热量,仅在热流通路中起到增加阻力,减少换热量的作用.如图:遮热板原理见例题四T1T2122022/7/2849例四 平面1和平面2平行放置，且相距很近，在它们之间插一块双面黑度均为3=0.05、导热热阻可以忽略的磨光镍片，平面1和平面2的温度分别为T1=1200K、T2=300K，黑度为1=2=0.8，（1）试用网络法求解平面

21、1和平面2之间的辐射热流密度，并与未插入镍片时的辐射热流密度相比较。（2）如果遮热板与平板1与2的黑度均为0.8，此时板1与板2之间的净辐射换热量又为多少？T1T2T3镍片插入镍片时的示意图2022/7/2850解（1）未插入镍片时的网络图： T1，T2假设2022/7/2851（2）插入镍片辐射网络模拟图为：b1E所以：由： 可得未插入镍片时的净辐射换热量远大于插入镍片时的换热量2022/7/2852（3）如果1=2=3=0.8 可得结论： 与没有遮热板时相比，辐射换热量减小了一半。 若加入n块黑度相同的遮热板，请证明其辐射换热量将 减少1/（n+1）倍（作业教材2-30）2022/7/2853遮热板在工程上的应用（了解）（1）汽轮机中用于减少内、外套管间辐射换热（2）遮热板用于存储液态气体的低温容器（辐射屏蔽技术）（3）用于超级隔热油管（4）用于提高温度测量的准确度返回2022/7/28543.4.5 气体辐射与火焰辐射1气体辐射与固体表面辐射比较有哪些特点？（掌握）2影响气体黑度和吸收率的主要因素有哪些？（理解）3火焰辐射换热有什么特点？ （了解）4如何进行气体辐射换热计算？（了解）2022/7/28551气体辐射与固体表面辐射比较有哪些特点？（掌握）（1）与固体辐射一样，气体也具有发射、吸收、穿透能力，但一般不具备反射能力