辐射换热课件

工程热力学与传热学传热学第十一章辐射换热第十一章辐射换热内容要求掌握热辐射的基本概念；掌握黑体，黑体辐射的基本定律；实际物体的辐射特性，基尔霍夫定律；重点掌握角系数，辐射换热的计算方法（黑体表面间，漫灰表面间的辐射换热）；重点掌握遮热板原理。热辐射：物体由于受热而向外发射辐射能的现象。热辐射的波长范围

11—1热辐射的基本概念

理论上：0—

整个波谱；日常生活,工业上常见的温度范围内：0.1—100µm，包括部分紫外线，可见光，部分红外线；工业上常见温度范围T≤2000K时：

：0.76—10µm

11-1-1吸收，反射和透过投入辐射G：单位时间投射到单位面积物体表面上全部波长范围内的辐射能。W/ｍ2根据能量守恒：或：

1吸收比，反射比和透过比吸收比α(Absorptivity)

反射比ρ(Reflectivity)

透过比τ(Tranmissivity)某一波长的投入辐射Gλ：光谱吸收比α(Absorptivity)

光谱反射比ρ(Reflectivity)

光谱透过比τ(Tranmissivity)

2不同物体表面的辐射特性热辐射投射到固体，液体表面上：两种反射现象：镜反射(Specularreflection)漫反射(Diffusereflection)

漫射表面：漫反射和漫发射热辐射投射到气体表面上：容积性表面性

11-1-2黑体，镜体和绝对透明体绝对黑体（黑体）：镜体（白体）：绝对透明体：白雪：（接近黑体）；白布，黑布吸收比基本相同；玻璃可透过可见光，对红外线几乎不透过。例如黑体，白体不同于黑色物体，白色物体。区别吸收，发射辐射能能力最强光谱辐射力(Emissivepower)

单位时间单位面积物体表面向半球空间的所有方向发射波长λ到λ+dλ范围的辐射能，称为该物体表面的辐射力。Eλ，W/m3对黑体辐射：不同温度下黑体的光谱辐射力随波长的变化：

T一定时，

λ一定时，2.普朗特定律1900年，普朗特确定黑体辐射的光谱分布规律。举例计算温度分别为2000K和5800K的黑体与Ebλ,max对应的λｍ。解：由维恩位移公式：说明工业上一般高温范围（2000K以下）时，与Ebλ,max对应的λｍ位于红外线区段；温度近于太阳表面温度（5800K）时，与Ebλ,max对应的λｍ位于可见光区段。

11-2-3斯忒藩-波耳兹曼定律1879年斯忒藩（实验）,1884年波耳兹曼（理论）确定了黑体的Eb与T的关系。式中:–黑体辐射常数另一种形式:式中:C0

–黑体辐射系数举例计算黑体表面温度为27℃

和627℃时的辐射力Eb。解：黑体表面温度为27℃时：黑体表面温度为627℃时：分析说明高温和低温两种情况下，黑体的辐射能力有明显的差别。

11-2-4兰贝特定律1.立体角球面度对整个半球：对微元立体角：2.定向辐射强度（辐射强度）物体单位时间单位可见辐射面积单位立体角内发出的辐射能量。对各向同性物体表面：光谱辐射强度：3.定向辐射力单位时间单位面积物体表面向某个方向发射单位立体角内的辐射能,称为该物体表面在该方向上的定向辐射力。Eθ，W/(m2.sr)

11—3实际物体的辐射特性基尔霍夫定律

11-3-1实际物体的发射特性实际物体的发射特性和吸收特性。1.物体的发射率（黑度）实际物体的辐射力：反映了物体发射辐射能量的能力。说明因此：2.物体的光谱发射率（光谱黑度）3.影响发射率的因素物体的种类；物体的表面温度；物体的表面状况。只取决于物体自身特性实验测定例如种类：常温下，白色大理石0.95，镀锌铁皮0.23；温度：氧化的铝表面50℃，ε=0.2，

500℃，ε=0.3；表面状况：无光泽黄铜0.22，磨光黄铜0.05；非金属材料较高0.85~0.95，且与表面颜色无关。实际物体的光谱吸收率对波长具有选择性：白瓷砖玻璃可见光，红外线，很小，近乎透明体；紫外线，红外线，，表现不透明性。温室效应白漆和黑漆物体的颜色对可见光呈强烈选择性；但对红外线的吸收率均为0.9左右。

11-3-3基尔霍夫定律1.灰体说明灰体和黑体一样，也是一种理想物体；灰体的与波长无关，只取决于本身特性，与外界投射辐射无关；就发射和吸收的规律而言，灰体和黑体完全相同，在数量上体现了百分比关系。大多数工程材料可作灰体处理。

11-4-1角系数1.角系数的定义表面1对表面2的角系数：表面2对表面1的角系数：或：几何量2.角系数的性质非自见面的角系数等于0。角系数的相对性角系数的完整性封闭空腔中：或：角系数的可加性组合面A（1+2）对面A3的辐射角系数。分析根据角系数的完整性：即是：又由角系数的相对性：因此：3.角系数的计算主要方法有：积分法；

代数法；图解法两面封闭系统有一个面为非自见面：两平行大平面：两个面都是自见面：解：根据角系数的完整性：举例确定：又由角系数的相对性：由：得：得：举例确定：由：解：得：举例确定：A3三个非凹表面组成封闭系统举例确定：角系数解：根据非自见面的角系数为0：可求：交叉线法确定表面A1，A2的角系数。分析辅助线解：封闭空腔abcd中:封闭空腔abc，abd中:因此：

11-4-2黑体表面间的辐射换热1.任意位置的两黑体表面。两黑体表面间的净辐射换热量：或：空间辐射热阻2.多个黑体组成的封闭空腔。表面1对其它表面的辐射换热：或：第i个黑体表面的辐射换热量：

11-4-3漫灰表面间的辐射换热1.有效辐射设有一漫灰表面A，ε=α。与表面A有关的能量有：投入辐射G吸收辐射αG反射辐射ρG自身辐射（辐射力）E=εEb有效辐射J或：合成辐射（净辐射热流）Φ或：两式联立，消去G，且ε=α。表面辐射热阻对黑体表面：得：2.两漫灰表面间的辐射换热两漫灰表面构成封闭空腔，且T1>T2：分析因此A1和A2的净辐射热量：即是：黑体A3同时

A1

的净辐射热量：

A2

的净辐射热量：换热系统热平衡时：将(a),(b),(c)相加，消去J1，J2得：A3或：系统黑度两漫灰表面间的辐射换热网络图系统黑度：减少散热保温瓶的夹层（银，铝薄层）强化换热电气设备（黑度大油漆）两漫灰表面间辐射换热的几种简化形式：

A1面为非自见面：由：得：

两个无限大平板间辐射换热：由：得：

两表面相差很大（大房间内小物体的辐射换热）得：由3.多个漫灰表面构成的封闭空腔中的辐射换热辐射换热网络求解法：应用有效辐射的概念，将辐射换热系统模拟成相应的电路系统，借助于电学中克希荷夫电流定律求解该系统的辐射换热问题。三个漫灰表面构成的封闭空腔中的辐射换热首先绘制辐射网络图：然后列出各节点有效辐射的关系式（注入每个节点的热流之和为零）：节点J1：节点J2：节点J3：根据已知条件，求解未知量。已知三个表面温度T1,T2,T3；以及

A1,A2,A3,ε1,

ε2,

ε3,X1,2,X1,3,X2,3。确定每个表面的有效辐射J1,J2,J3和净辐射热量Φ1,Φ2,Φ3。例如具有重辐射面的封闭空腔中的辐射换热：重辐射面：辐射绝热面，净辐射热流为0。

11—5遮热板原理如何削弱物体表面之间的辐射换热：采用反射率高的表面；采用遮热板。遮热板的作用：在整个辐射换热中净辐射换热量为0。即遮热板即不向原系统放出热量，也不从中吸收热量，只是在热流通路中增大了原系统的热阻，使换热表面之间的辐射换热受到阻碍。举例两个大平板A1,A2,温度T1,T2,

发射率ε1,ε2。中间放置遮热板T3(T3’

=T3’’)

,ε3’=ε3’’分析：无，有遮热板时辐射换热量的变