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第二篇 传热学. 第九章 热辐射及辐射换热. 机电教研室 赵春来. 本章主要内容. 热辐射的基本概念 热辐射的基本定律 物体间的辐射换热 气体辐射. 本章基本要求. 1 ．掌握热辐射、热射线、黑体、白体、透明体及灰体等概念，掌握热辐射的本质。 2 ．掌握四次方定律的实质以及黑体和实际物体辐射力的计算，理解黑度的物理意义；理解普朗克定律、维恩位移定律和基尔霍夫定律的内容及得出的结论。 3 ．掌握角系数的定义及性质；理解辐射势差、空间辐射热阻及表面辐射热阻的性质及表达式。
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第二篇 传热学 第九章 热辐射及辐射换热 机电教研室 赵春来
本章主要内容 • 热辐射的基本概念 • 热辐射的基本定律 • 物体间的辐射换热 • 气体辐射
本章基本要求 1．掌握热辐射、热射线、黑体、白体、透明体及灰体等概念，掌握热辐射的本质。 2．掌握四次方定律的实质以及黑体和实际物体辐射力的计算，理解黑度的物理意义；理解普朗克定律、维恩位移定律和基尔霍夫定律的内容及得出的结论。 3．掌握角系数的定义及性质；理解辐射势差、空间辐射热阻及表面辐射热阻的性质及表达式。 4．掌握两黑体表面间的辐射换热计算。掌握两灰体表面间在简单情况下（如两无限大平行平板间，或空腔内包物体与空腔内壁面间）的辐射换热计算。 5．理解增强与削弱辐射换热的主要途径，了解遮热板原理及其在工程中的具体应用;了解气体辐射的主要特点。
10-1 热辐射的基本概念 1. 热辐射的本质及特点 (1)热辐射的概念与本质： • 辐射:物体向外发射电磁波的现象. • 热辐射:由于热的原因向外发射电磁波（图）及（热射线）的辐射。是三种热传递方式之一. • 热辐射的本质就是热射线的传播过程。 • 热射线：波长为0.1～100μm的电磁波。它包含紫外线(0.001～0.38μm)、可见光(0.38～0.76μm)和红外线(0.76～1000μm) 。
(2) 热辐射特点： • 任何物体，只要温度高于零 K，就会不停地向周围空间发出热辐射； • 可以在真空中传播； • 伴随能量形式的转变； • 具有强烈的方向性； • 辐射能与温度和波长均有关； • 发射辐射取决于温度的4次方。
二、物体对热辐射的吸收、反射和穿透 当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如图10-2所示。 反射比 透射比 吸收比 图10-2物体对热辐射的吸收反射和穿透
对于大多数的固体和液体, • 如金属,砖,木材等： • 对于不含颗粒的气体： • 黑体： • 镜体或白体： 透明体： • 自然界中并不存在黑体、白体和透明体，它们是实际物体辐射的极限情况，但分析它们能找出规律。 • 不能单纯以颜色来判断物体的吸收率，物体的性质、表面状况、本身的温度和发射物体的温度等都会影响物体的吸收率。如煤烟的α=0.96，白雪的α=0.98,高度磨光的纯金的ρ=0.98；如白布和黑布对可见光的吸收率不同，但对红外线的吸收率基本相同；有些玻璃只透可见光，而不透红外线。
三、人工黑体和灰体 1、人工黑体：一空腔上的小孔可视为人工黑体，在热辐射的分析中有其特殊的重要性。 2、灰体：单色吸收比与波长无关的物体，常将工程中的材料视为灰体。 • 单色吸收比αλ：物体对某一波长的吸收率。
10-2 黑体辐射的基本定律 一、热辐射能量的表示方法 • 辐射力E：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的所有波长的能量总和。(W/m2)； • 单色辐射力Eλ：单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长)，物体的单位表面积向半球空间发射的能量。(W/m3)； • E、Eλ关系: 黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的单色辐射力为Ebλ
二、黑体辐射的三个基本定律及相关性质 1、普朗克定律 式中，λ—波长，m ； T—黑体温度，K ； c1—第一辐射常数，3.742×10-16 Wm2； c2 —第二辐射常数，1.4388×10-2 WK； 图是根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系。 λm与T的关系由维恩位移定律给出， 普朗克定律的图示
2、斯蒂芬—玻尔兹曼定律 式中，C0=5.67 W/(m2K4) ；为黑体的辐射系数 σb= 5.67×10-8 W/(m2K4)，是斯蒂芬—玻尔兹曼常数。 说明了黑体的辐射力与物体的热力学温度的四次方成正比。 黑度ε：实际物体的辐射力与黑体辐射力之比。 则实际物体的辐射力为：
铝(氧化的) 940~1100 钢板(抛光的) 0.8 200~600 钢板(氧化的) 0.8~0.9 耐火砖 330~910 0.93 20 红砖 ε 温度[℃] 材料 0.55~0.61 0.6~0.7 200~600 铸铁(抛光的) 0.64~0.78 200~600 铸铁(氧化的) 0.03 — — 铜(抛光的) 200~600 铜(氧化的) 0.039~0.057 225~575 铝(抛光的) 0.11~0.19 0.57~0.87 某些工业材料的黑度
3、基尔霍夫定律 • 投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能 • 选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变化，这叫选择性吸收 • 吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用表示，即
基尔霍夫定律定律的导出及表述 • 导出:1859年,基尔霍夫定律用热力学方法导出了发射辐射与吸收辐射二者之间的联系(即基尔霍夫定律定律)。 • 推导:用两块无限大平板间的热力学平衡方法。如图所示，板1时黑体，板2是任意物体，参数分别为Eb, T1 以及E, , T2，则当系统处于热平衡时，可导得 表述：在热平衡条件下，任何物体的辐射力与它对黑体的吸收率之比恒等于同温度下黑体的辐射力。 平行平板间的辐射换热
从基尔霍夫定律得出如下结论 • 辐射力大的物体，其吸收比就越大。 • 同温度下黑体的辐射力最大。 • 由黑度定义，可得基尔霍夫定律的另一表达式： • 它说明：在热平衡条件下，任意物体对黑体的吸收比等于同温度下该物体的黑度。 • 对灰体，无论是否处于热平衡，其吸收比恒等于同温度下的黑体。
10-3 物体间的辐射换热 一、辐射角系数的定义、性质及计算 介绍角系数概念前，先复习两个概念 投入辐射G：单位时间内投射到单位面积上的总辐射能，记为G。 有效辐射J：单位时间内离开单位面积的总辐射能为该表面的有效辐射，包括了自身的发射辐射E和反射辐射G。G为投射辐射。 J=E+ G. 有效辐射示意图
两个无限大的平板间的角系数 1>X1,2=X2,1>0 X1,2=X2,1=0 X1,2=X2,1=1
1、角系数概念： • 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X2,1。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
2. 角系数性质 • 基本性质：角系数只与物体表面的形状，尺寸以及物体间的相对位置有关，而与物体的性质和温度等无关，是纯几何因子。 • 其它性质:相互性、完整性、可加性
（1）相对性 表面1发射到2上的辐射能： Eb1A1X1,2 表面2发射到1的辐射能： Eb2A2X2,1 两表面间辐射换热为; Φ1,2=Eb1A1X1,2-Eb2A2X2,1=0 • A1X1,2=A2X2,1 热平衡时
相对性应用 • 对两相对很近的两大平板：X1,2=X2,1=1 • 对空腔内包物体时：X1,2=1，X2,1=A1/A2
角系数的完整性图示 (2) 完整性 对于有n个表面组成的封闭系统，见图8-3所示，据能量守恒可得: 上式称为角系数的完整性。若表面1为非凹表面时，X1,1 = 0。 (3) 可加性 如下图所示，表面2可分为2a和2b两个面，当然也可以分 为n个面，则角系数的可加性为 值得注意的是，上图中的表面2对表面1的角系数不存在上述的可加性。
(3) 可加性 • 如下图所示，表面2可分为2a和2b两个面，当然也可以分 为n个面，则角系数的可加性为: 证明: 角系数的可加性图示
值得注意的是，上图中的表面2对表面1的角系数不存在上述的可加性。值得注意的是，上图中的表面2对表面1的角系数不存在上述的可加性。 再来看一下2 对 1 的能量守恒情况:
Eb1 Eb2 黑体间的辐射换热图示 二、黑体表面间的辐射换热
Eb1 J1 表面热阻网络图 三、有效辐射与表面辐射热阻 表面1的有效辐射： 表面1与外界的辐射换热： 上两式消去G1：对灰体α1=ρ1
表面辐射热阻网络图 空间辐射热阻网络图 表面辐射热阻与空间辐射热阻 • 表面辐射热阻: 它与物体表面性质和表面积大小有关,而与物体间相互位置和外来辐射无关. 注意：黑体的表面热阻等于零。 • 空间辐射热阻: 它只与物体间相互位置和表面积大小有关,而与物体的温度和表面性质无关.可见，每一对表面就有一个空间辐射热阻。
J J F = - = 1 2 A J X A J X 1 , 2 1 1 1 , 2 2 2 2 , 1 1 A X 1 1 , 2 四、两灰体表面组成的封闭系统的辐射换热 两个表面的净换热量为 表面1失去能量 表面2获得能量
由于Φ1,2=Φ1= Φ2，以上三式联合求得： （1）两无限大平行平板灰体间，A1=A2，X1,2=X2,1=1 （2）空腔内包物体与空腔内壁间：视A1/A2→0 • 电厂厂房内热管道向环境的散热属此情况
五、辐射换热的强化与削弱--遮热板原理及应用五、辐射换热的强化与削弱--遮热板原理及应用 • 由于工程上的需求，经常需要 强化或削弱辐射换热。 1、强化辐射换热的主要途径有两种： • (1) 增加系统黑度；(2) 增加角系数。 2、削弱辐射换热的主要途径有三种： • (1) 降低黑度；(2) 降低角系数； (3) 加入隔热板。 • 其实插入防热板相当于降低了表面黑度。这里主要讨论这种削弱辐射换热的方式。 • 遮热板：在两辐射换热面之间放置的一黑度很小的，用于削弱辐射换热的薄板。
3、遮热板原理及应用 加遮热板前 为简单起见，假设 ，则 上式变为： 现在在两面之间插入一块发射率仍为 的遮热板， 这样就组成了两个换热系统，如下图10-16所示.
加遮热板后: 可见，与没有遮热板时相比，辐射换热量减小了一半。 若在两板间加入n板与壁面黑度相同的遮热板，则
遮热板在电厂中应用 (1)汽轮机中用于减少内、外套管间辐射换热。如图所示 (2)遮热板用于提高温度测量的准确度。如图所示
例题分析 • 例10-2，教材P147 • 例10-3，教材P149
10-4 气体辐射 1 气体辐射和吸收的特点 (1) 气体辐射和吸收对波长具有选择性。它只在某谱带内具有发射和吸收辐射的本领，而对于其他谱带则呈现透明状态。如图10-16所示。 (2) 气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的。这是由于辐射可以进入气体，并在其内部进行传递，最后有一部分会穿透气体而到达外部或固体壁面，因而，气体的发射率和吸收比还与容器的形状和容积大小有关。
图10-17 CO2和H2O的主要吸收光带示意图 图10-18 光谱辐射穿过气体层时的衰减
10-4 气体辐射 2、火焰辐射循特点 • 火焰中含有固体微粒 • 火焰辐射类似于固体辐射 • 可视为灰体处理
本章小结 • 热辐射的本质及特点； • 黑度、黑体、吸收比、反射比、透射比、黑体、白体、透射体和灰体概念； • 辐射力，黑体辐射基本定律； • 投入辐射、有效辐射、系统黑度、辐射势差、表面辐射热阻、空间辐射热阻概念，角系数的定义及性质; • 两黑体表面和两灰体表面间辐射换热计算； • 遮热板的原理及应用； • 气体辐射的特点。
