第8章辐射传热

第八章

辐射传热

RadiationHeatTransfer吴雪梅Telmail：xuemeiw@1强化辐射换热太阳能集热板工业窑炉蔬菜大棚地暖2削弱辐射换热玻璃镀膜(LowE玻璃)温度测量误差3

§8-1热辐射的基本概念辐射是热量传递的三种基本方式之一；工农业生产和日常生活中，有大量的辐射换热问题。如：锅炉炉膛、暖气、太阳能等；强化和削弱辐射换热。太阳能集热板地暖工业窑炉蔬菜大棚强化辐射换热4辐射(Radiation)：以电磁波传递能量的过程。热辐射(ThermalRadiation)：由于自身温度或热运动的原因而激发产生的电磁波传播。一、热辐射的定义及传热特点辐射传热特点：1.传递时不需要介质（热传导、热对流必须通过介质）2.传递的方向：高温低温3.两次能量形式的转化：物体1的热力学能电磁波能物体2的热力学能

5Cosmicraysupto410-7mGammarays410-7to1.410-4mX-rays110-5to210-2mUltravioletrays110-2to3.910-4mVisiblelight0.38

to0.76

mInfraredrays0.76,1.5,5.6to1000

mRadioand1000to21010mHertzianwavesHeatrays0.1to100m

二、电磁波谱(Electromagneticspectrum)误区：凭物体颜色判断其对热射线的吸收能力？6如图所示，热辐射，0.1—100µm；可见光，0.38—0.76µm。

地球上大部分物体<2000K0.38-100µm

长波辐射大部分在0.76-20µm

太阳

5762K的黑体在0.2---2µm短波辐射

0.76---20µm为红外线区域近红外线(Nearinfrared)

远红外线(Far

infrared)。7三、热辐射的波粒二向性辐射是电磁波，它就由一般电磁波的共性，即波动性：各种电磁波在介质中传播的速度等于光速式中：C—

速度

f—频率

—波长粒子性：光子的能量与频率成正比式中：h—

普朗克常数，6.63*10-34J.s8热辐射的吸收、穿透和反射光辐射:一束光投在一物体上后，一部分被吸收，一部分被反射，还有一部分穿过物体。热辐射也有同样的性质。

投射辐射(IncidentradiationorIrradiation)为Q,如图，其中：吸收：Qα反射：Qρ穿透：Qτ由热力学第一定律：或：Q9则：吸收比(率)

absorptivity反射比(率)reflectivity穿透比(率)

transmissivity理想化的物体模型：黑体白体透明体（透热体）灰体10固体、液体：表面辐射特性辐射能进入其表面后，在极短的距离内就被吸收完金属导体，这个距离只有1微米的量级;大多数非导电材料，这个距离小于1毫米;而常用工程材料都大于这个数值（有特例，如玻璃），故可以认为固体和液体的τ=0，于是：

故表面的状况对辐射的影响至关重要11玻璃：短波辐射<2.5μm，透过率高τ=0

.9；长波辐射>2.5μm，透过率低τ=0。12反射现象也同光一样，有镜面反射和漫反射之分，

镜面反射：入射角=反射角，表面粗糙度<波长

漫反射：表面粗糙度>波长

气体的辐射和吸收都是在内部进行的，表面形状则无关紧要。气体：容积辐射特性当辐射投在气体上，它几乎没有反射能力，故可以认为ρ=0，于是13四、理想辐射模型黑体不是黑色物体黑体，镜体和透明体并不存在。人工黑体---制造十分接近黑体(内表面6%的小孔，α≈0.996)的模型。黑体如同不可压流体、可逆循环等一样，是一种理想化的研究方法。黑体(perfectblackbody)理想的反射体（perfectreflector)

镜体(specular)

白体(diffuseperfectreflector)透明体(transparentmedia)14§8-2黑体辐射基本定律

(BlackBodyRadiation)

1.辐射力E

(EmissivePower)：

单位时间内物体的单位表面积向半球空间所有方向发射出去的全部波长的辐射能量(W/m2)。一、基本概念半球空间：微元面积dA辐射是向着它的上方各个方向的。如在上方做个半球，则dA发出的辐射能全部要通过这个半球空间，所以我们称dA以上的空间为半球空间。15(MonochromaticEmissivePowerorSpectralEmissivePower)：

单位面积辐射体在单位时间内向半球空间发射的波长为λ(+dλ区间)的能量(W/m2)

。辐射力为曲线下的总面积。如图光谱辐射力Eλ16平面角：如图7-6，s为弧长，r为半径。=s/r（rad）

立体角：如图7-7，一个半球，在球面上取一个小面积，在这个面积周边向球心做射线，则这些射线所包围的空间即为立体角。立体角的度量单位是球面度。θrs平面角定义图立体角(Solidangle)17立体角可以用平面角表示：即：半圆：半球空间：如图，在半球上割下一块微元面积dAc，则dAc对应的立体角为微元立体角Steradian18定向辐射力定向辐射力：

单位时间、物体单位辐射表面、单位立体角内的全部波长的辐射能。19定向辐射强度

(Intensityofradiation)目的：辐射能按方向分布比较基础：相同的立体角，相同的可见表面积定向辐射强度(Intensityofradiation)：

单位时间、单位可见辐射表面、单位立体角内的全部波长的辐射能。为可见辐射面积。其中：指：在给定辐射方向上看到的发射辐射能物体的表面积20可见辐射面积的重要性21

(BasicLawforBlackBodyRadiation)黑体：发射辐射和吸收辐射的能力都最强。黑体辐射的理论是建立在如下几个基本定律基础上的，即：普朗克(Plank)定律(1900)

维恩位移(Wien’sdisplacement)定律；(1893热力学理论得出）

斯忒藩-波尔兹曼(Stefan-Boltzman)定律；（1879实验，1884热力学理论）

兰贝特(Lambert)定律。二：黑体辐射的基本定律22

1.Plank’sLaw(1900)：黑体的辐射实验前人的工作紫外灾变

Plank’sLaw

Ebλ--光谱辐射力,W/m3；

λ--波长,m；

T--黑体热力学温度,K；e--自然对数的底；

c1---第一辐射常量,3.742×10-16W·m2；

c2---第二辐射常量,1.438×10-2m·K。Planck认为黑体以hv为能量单位，不断发射和吸收频率为v的辐射，hv称为能量子23

1.Plank’sLaw(1900)：黑体的光谱发射力随波长连续变化，曲线下面积对应黑体辐射力；黑体发射各种波长辐射能的能力不同，存在最大峰值；温度升高时，黑体发射辐射的能力增强，且最大波长向短波移动。黑体的发射光谱24由Planck定律知：Eλ=f(λ,T

)如图，Eλ有最大值；随着T

增大

max向左移动2.Wien’sdisplacementLaw

建立了光谱测温的基础1893热力学理论得出，由Plank’sLaw对求导，并令25

如不是黑体，则不完全遵守这个定律，但其变化方向是相同的，例如金属（钢锭）：当T<500ºC时，没有可见光，颜色不变；T增大，其颜色分别为暗红、鲜红、桔黄和白色。例题8-1试分别计算温度为2000K和5800K的黑体的最大单色辐射力所对应的波长。解：应用Wien位移定律

T=2000K时

max=2.910-3/2000=1.45mT=5800K时

max=2.910-3/5800=0.50m

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263.Stefan-BoltzmanLaw

1879年Stefan实验，1884年Boltzman热力学理论将Plank’sLaw积分即得：

式中：为黑体辐射常数，其值为5.6710-8

W/(m2·K4)。

为计算高温辐射的方便，可改写为：式中，C0为黑体辐射系数，5.67W/(m2·K4)。黑体的辐射力与热力学温度的4次方成正比，计算依据27黑体辐射函数某一特定波长段的辐射能量。由Planck定律,黑体在某波长段所发射的辐射能为：即右图中的在1和2之间的线下面积。通常用同温度下的百分数表示，28

f(T)称为黑体辐射函数

(RadiationFunctionorFractionalfunction)

其数值见教材第277页表6-1

已知能量份额后，在给定的波段区间，单位时间内黑体单位面积所辐射的能量可方便地由下式算出：式中，Fb（0-1）、

Fb（0-2）分别为波长从0至1和0至2的黑体辐射占同温度下黑体辐射力的百分数。能量份额Fb（0-）可以表示为单一变量T的函数，即29例题8-3试分别计算温度为1000K、1400K、3000K、6000K时可见光和红外辐射在黑体总辐射中所占的份额。辐射与颜色的关系：夏天穿白色衣服凉快，因为我们吸收的是太阳辐射(0.2-2m)可见光占比例很大。地球上物体的辐射不同，因温度低（2000K）以下，多与颜色无关30

黑体的定向辐射强度与方向无关，为漫射表面。

即4.Lambert’sLaw（又称余弦定律CosineLaw）问题：暖器取暖时与方向有关，太阳辐射与方向有关，是否与Lambert’sLaw相矛盾？将定向辐射强度定义变形，得辐射力人与暖器的距离不变时，d＝const.

dA=const.Iθ=const.角度不同，cosθ不同。当θ=0°时，辐射面获得的能量最多。区别：定向辐射强度Iθ

与定向辐射力EθLambert’sLaw的另一种表述：定向辐射力随方向角按余弦规律变化，法线方向的定向辐射力最大。31辐射力与定向辐射强度的关系：在半球空间上即单位时间、单位表面积在半球空间发射的全部波长的辐射能，即辐射力：(4).EmissivePowerandIntensityofRadiation

d()

/dA

为

方向d内单位面积辐射能。对于漫射表面，半球空间的辐射力是任意方向定向辐射强度的π倍。32§8-3

实际固体和液体的辐射特性1.特性

Eλ=f(λ,T)不规则

Eλ<Ebλ

不严格遵守LambertLaw33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。2)实际物体的辐射力发射率(黑度,Emissivity)34发射率(黑度,Emissivity)光谱发射率（光谱黑度）(SpectralEmissivity)定向发射率光谱定向发射率35定向发射率(定向黑度，DirectionalorangularEmissivity)

实际物体辐射不严格遵守Lambert'sLaw,为表述这一特性，如果I(θ,)与无关（实际情况常常如此），则36金属θ，(θ)

然后37非电导体θ(θ)(90)=0

与金属相反光谱定向黑度(SpectralDirectionalEmissivity)38影响ε的因素有：物质种类：非金属0.9左右，金属0.2以下；书P333附录9表面状况：铝一般0.2，高度磨光0.05；表面温度：ε=ε(T)，Eb=Eb(T)。

即：ε只与本身情况有关，可由实验测定。实际物体黑度的确定复杂，使用法向黑度将实际表面近似为漫射表面（符合Lambert'sLaw）高度磨光的金属表面其它光滑表面表面粗糙物体392.灰体物体光谱辐射力与同温度下黑体光谱辐射力随波长的变化曲线相似；换言之：光谱发射率(吸收率)不随波长发生变化；灰体是理想化的物体，工程上许多物体近似服从灰体模型。40

2.光谱(单色)吸收比(MonochromaticAbsorptivity)1.吸收比(TotalAbsorptivity)物质种类表面状况表面温度影响的因素本身情况投入辐射§8-4实际物体的吸收比与基尔霍夫定律因此，发射率是物体的热物性参数，而吸收比不是。41()的实测值4243()

和Eb

已知，利用上式做数值积分，即可得到。右图就是这样做出的很复杂投射辐射来自黑体时的44dA1为实际物体，放在黑体半球空腔中心当系统处于热平衡时，dA1的吸热量=放热量dA1单位时间、向给定方向、在微元波长内的放热量：其中，4、基尔霍夫定