传热学第十二章辐射换热

传热学第十二章辐射换热第一页，共三十七页，2022年，8月28日§12-1热辐射的基本概念§12-2黑体辐射基本定律§12-3两物体表面间的辐射换热计算§12-4气体辐射第二页，共三十七页，2022年，8月28日总体要求：定性：热辐射基本概念，黑体辐射基本定律，实际物体的辐射特性及基耳霍夫定律；辐射换热的强化与削弱。定量：利用黑体辐射基本定律及黑体辐射换热函数求解辐射换热问题。

第三页，共三十七页，2022年，8月28日第十二章辐射换热

热辐射是热传递的三种基本方式之一，它是由电磁波来传递能量的现象，与导热和对流有着本质的区别。辐射换热是互不接触的物体之间通过相互辐射进行热交换的过程。第四页，共三十七页，2022年，8月28日辐射通过低温区向人体传热

由于太空的超真空环境是天然的热绝缘体，使其高温外壁不易冷却，而辐射几乎是唯一的散热方式

第五页，共三十七页，2022年，8月28日人体与墙壁间的传热方式主要是辐射第六页，共三十七页，2022年，8月28日传统工业中的辐射换热问题

太阳能热水器是典型的利用辐射换热原理

辐射换热应用背景介绍物体通过电磁波来传递能量的方式叫辐射。自然界中各个物体不停地向空间发出热辐射，同时又不断地吸收其它物体发出的热辐射。辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递——辐射换热。

第七页，共三十七页，2022年，8月28日1定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量保温瓶的散热--保温瓶夹层中主要依靠辐射传热

§12-1热辐射的基本概念一、辐射的概念及特点第八页，共三十七页，2022年，8月28日1）只要物体温度T>0K，物体就有辐射本领；2）存在近程及远程效应(近在咫尺，远至天体)；3）存在热动平衡（吸收和发射）；4）在高温时更加重要，与（Tw4－Tf4）成正比；5）存在着吸收，反射与穿透；6）物性随波长和方向而变；7）无须任何介质，可以穿过真空和低温。2辐射换热基本特点:第九页，共三十七页，2022年，8月28日3、电磁波谱

电磁辐射包含了多种形式，如下图所示，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0.38－1000μm。国际上规定家用微波炉的微波波长为122mm，对应频率为2450MHz电磁波的传播速度：c=fλ

式中：f—频率，s-1;λ—波长，μm第十页，共三十七页，2022年，8月28日例：室温下呈黑色的铁棒在炉中加热时，颜色渐呈暗红、红、橙黄，您知道为什么吗？

答案：随着铁棒的加热，温度升高，其辐射能量最大的波长向短波方向移动，即经历了由远红外线、近红外线到可见光区域，因而会呈现上述颜色变化。维恩定律第十一页，共三十七页，2022年，8月28日例：海水的颜色为什么总是蓝色的？答案：这是由于海水的非灰性质引起的，即海水对不同的波长的可见光吸收率不同，对蓝色波长附近的射线吸收少，反射多，所以呈蓝色。

第十二页，共三十七页，2022年，8月28日QAQRQDQ第十二章辐射换热热辐射的基本概念

一般来说，热射线也遵循可见光的规律，即当射线落到物体表面上时，也发生吸收、反射和穿透现象。如图，设外界投射到物体表面的总能量为Q,一部分能量QA在进入表面后被物体吸收；另一部分能量QR被物体反射，其余部分能量QD透射过物体，于是有：令则:A+D+R=1二、吸收、反射和透射第十三页，共三十七页，2022年，8月28日第十二章辐射换热热辐射的基本概念

A------吸收率D------反射率R-----穿透率A、D、R的大小都在0---1范围内变化，大小与物体的温度和表面状况有关，实际工程中，可以认为液体和固体不允许热辐射透过，所以D=0。就固体和液体而言，吸收能力大的物体其反射能力就弱。

在工程中，通常把吸收率A=1的物体称为绝对黑体（简称黑体）；把反射率R=1的物体称为镜体，或绝对白体；把穿透率D=1的物体称为透明体。在工程中，通常引入灰体的概念，即A<1的物体。二、吸收、反射和透射第十四页，共三十七页，2022年，8月28日灰体单色发射率不随波长而变化的物体，我们称之为灰体

作为一种研究中的假想物体，在自然界中灰体并不存在的；灰体的辐射力遵循斯蒂芬-玻尔兹曼定律，即

C─灰体辐射系数

第十五页，共三十七页，2022年，8月28日

自然界中并不存在绝对的黑体，用人工的方法可以制造出十分接近黑体的模型，如图，在前墙上开一个小孔的空腔制成黑体，空腔壁面应保持均匀的温度。当辐射经过小孔射进空腔时，在空腔内要经历多次的吸收和反射，而每经过一次吸收，辐射能就按照内壁面吸收率的份额被减弱一次，最终能离开小孔的能量微乎其微，可认为完全被吸收再空腔内。三、辐射力和单色辐射力第十六页，共三十七页，2022年，8月28日第十二章辐射换热热辐射的基本概念

辐射力是指物体单位表面积上单位时间内向半球空间所有方向发射的全部波长范围内的总能量，用符号E表示。若物体的表面积为F，所发射出去的总能量是Q,则辐射力为：w/m2物体辐射能量按波长的分布是不均匀的。若在波长λ至dλ的波段内，辐射的能量为dE则：w/m2

Eλ表示单位时间内，物体在单位面积上向半球空间所有方向发射的某一特定波长的能量，称单色辐射力。凡属黑体的一切量都用E0表示。第十七页，共三十七页，2022年，8月28日

前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，包括所有方向和所有波长；真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；发射率

(也称为黑度)

：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:实际物体的辐射力服从斯蒂芬-玻尔兹曼定律（四次方定律），即

四、发射率（黑度）第十八页，共三十七页，2022年，8月28日(1)普朗克定律式中，λ—

波长，μm；

T

—

绝对温度，K；

c1

—

第一辐射常数，；

c2—

第二辐射常数，；

§12-2热辐射的基本定律第十九页，共三十七页，2022年，8月28日(2)维恩（位移）定律

维恩位移定律表达了这种波长极值与热力学温度之间的函数关系

第二十页，共三十七页，2022年，8月28日(3)斯蒂芬-玻尔兹曼定律

：式中，，是黑体辐射常数常数。C0是黑体辐射系数

，实际物体的辐射力：发射率第二十一页，共三十七页，2022年，8月28日

黑体在半球空间各个方面上的辐射强度都相等，这个规律称为兰贝特定律

(4)兰贝特余弦定律

根据定向辐射力和定向辐射强度的关系

定向辐射力的数值和其与法线间的成角θ有关，其值正比于该夹角的余弦，且以法线方向的定向辐射力最大实际物体表面不遵循兰贝特余弦定律

指物体表面朝向某给定方向，对垂直于该方向的单位面积，在单位时间、单位立体角内所发射的全波长总能量。用符号I表示第二十二页，共三十七页，2022年，8月28日第十二章辐射换热热辐射的基本概念

(5)基尔霍夫定律

如图设有两个表面，一个是黑体，一个是灰体。两个表面互相平行，距离很近，于是从一块板上发射的辐射能全部落到另一块板上。若板1为黑体表面，其辐射力、吸收率、和表面温度分别为Eo,Ao和T1，板2为灰体表面，其辐射力、吸收率、和表面温度分别为E,A和T2。第二十三页，共三十七页，2022年，8月28日第十二章辐射换热热辐射的基本概念

五、基尔霍夫定律A(1-A)Eb灰体表面2所放射出来的能量E透射到黑体表面1上时，全部被黑体所吸收。而黑体表面1反辐射出来的能量Eb透射到灰体2上时，被灰体表面吸收AEo,而其余部分（1-A)Eo则被反射回到黑体表面1上，并完全被黑体所吸收。灰体表面吸收的能量是AEo而失去的能量是E，两者的差额就是两板间的辐射换热量q:w/m2当温度相等时，两表面处于热平衡状态，q=0，于是得到E=AEo第二十四页，共三十七页，2022年，8月28日第十二章辐射换热热辐射的基本概念

上式可以写成：推广到任何物体得到：上式就是基尔霍夫定律的数学表达式。它可以表述为：在热平衡条件下，任何物体的辐射力与吸收率的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。第二十五页，共三十七页，2022年，8月28日第十二章辐射换热热辐射的基本概念

从基尔霍夫定律可以得出如下结论：1.在同温度下，物体的辐射力越大，其吸收率就愈大，即善于辐射的物体善于吸收。2.同温度下黑体的辐射力最大。3.与黑度相比，ε=A.它表明在温度相等的情况下，物体的黑度恒等于它的吸收率。第二十六页，共三十七页，2022年，8月28日§12-3物体表面间的辐射换热（一）角系数Ψ1，2

有两个表面，编号为1和2，其间充满透明介质，则表面1对表面2的角系数X1,2是：表面1直接投射到表面2上的能量，占表面1辐射能量的百分比。即同理，也可以定义表面2对表面1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，即漫射面、等温、物性均匀第二十七页，共三十七页，2022年，8月28日角系数的特征

1、角系数的相对性

2、角系数的完整性

3、角系数的分解性（可加性）

第二十八页，共三十七页，2022年，8月28日（二）空间热阻和表面热阻空间热阻：由于物体表面尺寸、形状和相对位置等的影响，使一物体所辐射的能量不能全部投落到另一个物体上面而相当的热阻。表面热阻：由于物体表面不是黑体，以至于对投射来的辐射能不能全部吸收，或它的辐射力不如黑体那么大而相当的热阻。第二十九页，共三十七页，2022年，8月28日（三）任意两物体表面间的辐射换热计算第三十页，共三十七页，2022年，8月28日（四）特殊位置两物体间的辐射换热计算1、两无限大平行平壁间的辐射换热

特点：所以：第三十一页，共三十七页，2022年，8月28日2、空腔与内包壁间的辐射换热

特点：所以：第三十二页，共三十七页，2022年，8月28日§12-4

气体辐射(一)气体辐射的特点空气、O2、N2、H2等结构对称的双原子气体没有辐射和吸收能力多原子气体以及结构不对称的双原子气体有相当的辐射本领第三十三页，共三十七页，2022年，8月28日1.气体辐射对波长具有强烈的选择性每一种气体只有在一定的波长范围内才有辐射和吸收能力O3可以全部吸收波长小于0.3m的紫外线工程燃烧的主要产物CO2、H2O（汽）的光带均在波长大于2.5m处，各有三条光带，其中有两条互相重叠第三十四页，共三十七页，2022年，8月28日吸收：

辐射到气体层界面上的辐射能在辐射行程中被吸收减弱，减弱的程度取决于辐射强度及途中所遇到的分