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1、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,111 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：0.1 100 m，包括部分紫外线，可见光，部分红外线；工业上常见温度范围T2000K时：0.76 10 m,辐射换热（Radiation heat transfer）,发射，吸收辐射能,两物体温度不
2、同时，高温物体失去热量；两物体温度相同时，辐射换热量为零。,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/2,根据能量守恒：,或：,1 吸收比，反射比和透过比,吸收比(Absorptivity)反射比(Reflectivity)透过比(Tranmissivity),某一波长的投入辐射G：,光谱吸收比(Absorptivity)光谱反射比(Reflectivity)光谱透过比(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(Specular reflection)漫反射(D
3、iffuse reflection),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,112 黑体辐射的基本定律,普朗特定律，维恩位移定律，斯忒藩-波耳兹曼定律，兰贝特定律。,11-2-1 普朗特定律,1.辐射力和光谱辐射力,辐射力(Emissive power)单位时间单位面积物体表面向半球空间的所有方向发射全部波长范围的辐射能的总量，称为 该物体表面的辐射力。E，W/m2,光谱辐射力(Emissive power)单位
4、时间单位面积物体表面向半球空间的 所有方向发射波长到+d范围的辐射能，称为该物体表面的辐射力。E，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，,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。,11-2-2 维恩位移定律,光谱辐射力为 Eb,max时，和 T 之间的关系。,可得:,并且:,随T的升高，Eb对应的波长向短波迁移。,解：由维恩位移公式：,说明,工业上一般高温范围（2000K以下）时，与Eb,max对应的位于红外线区段；温度近于太阳表面温度（5800K）时，与Eb,max对应的位于可见光区段。,11-2-3 斯忒藩-波耳兹曼定律
5、,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,解：黑体表面温度为27时：,黑体表面温度为627时：,分析,波段内黑体辐射力：,实际问题：,引入辐射比,其中：为黑体辐射函数（表11-1）,则波段内黑体辐射力：,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
6、表面在该 方向上的定向辐射力。E，W/(m2.sr),4.兰贝特定律,黑体的定向辐射强度与方向无关，即半球空间各方向上的辐射强度都相等。,即是：,定向辐射力与定向辐射强度的关系：,辐射力与定向辐射强度的关系：,适用于：黑体漫发射体,113 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：,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
7、表面50，=0.2，500，=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0.850.95，且与表面颜色无关。,11-3-2 实际物体的吸收特性,1.物体的吸收率：物体对投入辐射所吸收的百分数。,吸收率取决于两方面因素：,物体的种类，温度和表面性质,2.物体的光谱吸收率：物体对某一特定波长的辐射能吸收的百分数。,实际物体的光谱吸收率对波长具有选择性：,白瓷砖,温室效应,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
8、系。,大多数工程材料 可作灰体处理。,2 基尔霍夫定律,1860年，基尔霍夫揭示了物体吸收辐射能的 能力和发射辐射能的能力之间的关系。,结论,同一温度下，吸收辐射能力愈强的物体，发射辐射能的能力也愈强。,对于灰体：,同一温度下，黑体的辐射能力最强。,不适于太阳辐射的吸收。,114 辐射换热的计算方法,假设,进行辐射换热的物体表面之间是 不参与辐射换热的介质或真空；参与辐射换热的物体表面为漫射灰体 或黑体表面；每个物体的温度，辐射特性及 投入辐射分布均匀。,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
9、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。,即是：,又由角系数的相对性：,因此：,3.角系数的计算,两面封闭系统,解：根据角系数的完整性：,又由角系数的相对性：,A3,三个非凹表面组成封闭系统,交叉线法,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：,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
10、,设有一漫灰表面A，=。,与表面A 有关的能量有：,投入辐射 G,吸收辐射G,反射辐射G,自身辐射（辐射力）E=Eb,有效辐射 J,或：,合成辐射（净辐射热流）,或：,两式联立，消去G，且=。,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T1T2：,分析,因此 A1 和 A2 的净辐射热量：,即是：,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：,两漫灰表面间的辐射换热网络图,系统黑度：,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
11、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,A3,1,2,3,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
12、1,2,3。,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。,115 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1,2。中间放置遮热板T3(T3=T3),3=3,分析：无，有遮热板时辐射换热量的变化。,无遮热板时：,有遮热板时：,简化考虑：,可求：,且：,结论,加1块发射率与平板相同的遮热板后，,因此，加n块发射率与平板相同的遮热板后，,工程中选用反射率高，发射率小的材料 做遮热板。,遮热板的辐射网络图,例题,两平行大平板间的辐射换热，平板的黑度分别为0.5，0.8。如果中间加进一块铝箔的遮热板，其黑度为0.05。试计算辐射换热量减少的百分率。,
