第十七章辐射换热

1、第十七章第十七章 辐射换辐射换热热 第一节第一节 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 第二节第二节 热辐射的基本定律热辐射的基本定律 第三节第三节 物体间的辐射换热物体间的辐射换热 第四节第四节 太阳辐射太阳辐射 第一节第一节 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 一、热辐射一、热辐射(thermal radiation)的本质的本质 物体中的原子内部，处于束缚态的电子从高能态能级向 低能态能级跃迁时，由于电子跃迁所释放的能量就以交替 变化的电磁波向四周放射出去，这种能量就叫做辐射能。 辐射能是原子内部复杂激动的结果。物体的温度只要高 于绝对零度，它便不可避免地发射出辐射能，物体的温度 愈高则发射的

2、辐射能量愈多。 热辐射是不依赖任何介质、用电磁波来传递热能的一 种热传递方式，辐射换热是可以在真空中以光速进行的 热传递过程。 根据不同波长范围的电磁波效应和用途，分为宇宙射 线、射线、x射线、紫外线、可见光、红外线和无线 电波等。热射线的波长主要位于0.4100m的范围内， 其中包括可见光（波长0.40.7m）和红外线（波长 0.725m的近红外线和波长25100m的远红外线）。 热射线 二、物体的吸收率、反射率和穿透率二、物体的吸收率、反射率和穿透率 QA/Q 物体的吸收率吸收率A QR/Q 物体的反射率反射率R QD/Q 物体的穿透率穿透率D QQQQ DRA 1 Q Q Q Q Q Q

3、 DRA A+R+D=1 A=1的物体称为黑体黑体(black body) R=1的物体称为白体白体 D=1的物体称为透明体透明体 黑体的一切量，都用下标“0”表示 颜色的深浅对可见光的吸收率影响较大。 对红外线来说，吸收率主要取决于物体表面的粗糙度， 不管什么颜色，平滑面和磨光面，其反射率都要比粗 糙面高好几倍。 三、辐射力和单色辐射力三、辐射力和单色辐射力 气体对于辐射能几乎不反射，R0，A+D=1。 当辐射能投射到固体或液体的表面时，在进入表面很 小距离内即被吸收完毕， D0，A+R=1。 凡是善于吸收的物体（A比较大），就不善于反射（R 较小），善于反射的物体，则不善于吸收。 1、辐射

4、力辐射力：物体每单位表面积在单位时间内所放射出去 的从=0到=的一切波长的辐射总能量。 2、单色辐射力：单色辐射力：在到d的波长范围内，物体辐射力 为dE，dE除以该波长间隔d所得的商。 2 /mW A Q E 3 /mW d dE E 第二节第二节 热辐射的基本定律热辐射的基本定律 一、普朗特定律（一、普朗特定律（Plancks law) 3 )/( 5 1 , 0 / 1 2 mW e C E TC 各种不同温度下黑体的单色辐射力按波长变化的规律。 二、维恩位移定律二、维恩位移定律(Wiens displacement law) 在一定温度下，对应于最 大单色辐射力的波长m， 与该黑体热力

5、学温度T成 反比。 KmT m 3 109 . 2 三、斯蒂芬三、斯蒂芬-波尔兹曼定律波尔兹曼定律 (Stefan-Boltzmanns law） 射系数，称为绝对黑体的辐)/(5.669 / 100 42 0 2 4 00 KmWC mW T CE dEE o 0 ,0 黑体的辐射力与其本身热力学温度的四次方成正比。 射常数，称为绝对黑体的辐)/(105.67 / 428 0 24 00 KmW mWTE 四、兰贝特定律四、兰贝特定律(Lamberts law) 1、立体角立体角(solid angle) ：球面上的给定面积对球心所张 的球面角，它的大小用该面积除以球面半径的平方来计 算。单

6、位用符号sr（球面度）表示。 2 r da d srra srra 2,2 1, 2 2 2、可见面积：、可见面积：沿P方向发射的辐射能，dA的可见面积 就是其在与P垂直方向的投影面积。 n dA p n方向：可见面积为dA p方向：可见面积为dAcos =90，可见面积为0 3、定向辐射强度、定向辐射强度(directional radiation intensity)：单位 时间内与发射方向垂直的单位可见面积在单位立体角内 所发射的辐射能。 cos cos 2 22 r da dA Qd ddA Qd I dadAdadA p )/( 2 srmW 物体表面在半球空间各方 向上，如定向辐射

7、强度均 相等，即 Ip,1=Ip,2=-=In 则该物体表面称为漫辐射漫辐射 表面，表面，只有绝对黑体表面 才是是漫辐射表面。 兰贝特定律：兰贝特定律：绝对黑体表面沿半球空间各方向上，定 向辐射强度均相等。 0 II p cos 0 , 0 2 I dAd Qd dadA 0 2 2 cos I r da dA Qd I dadA p 单位时间内，黑体表面积沿半球空间不同方向在单位立 体角内所发射的辐射能是不同的。 对于黑体 黑体微元面积dA向半球空间发射的辐射能量dQ0,dA 黑体辐射力等于其定向辐射强度黑体辐射力等于其定向辐射强度I0的的 倍。倍。 dAI dddAI ddAIdQ dA

8、0 2 0 2 0 0 2 0 0, 0 cossin cos 0 , 0 0 I dA dQ E dA 黑体辐射能量按波长分布服从普朗克定律，按空间 分布服从兰贝特定律，辐射力的大小由斯蒂芬波 尔兹曼定律确定。维恩位移定律揭示了最大单色辐 射力的分布规律。 五、基尔霍夫定律（五、基尔霍夫定律（Kirchhoffs law) 物体辐射力与吸收率的联系。 表面2辐射换热收支差额： 0 AEEq 热平衡时T=T0，q=0 A E EAEE 00 或 基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：任何物体的辐射力与吸收率的比值恒 等于同温度下的绝对黑体的辐射力，而与物体的性质 无关。 0 3 3 2 2 1 1 .E

9、 A E A E A E 对任何物体 1、基尔霍夫定律的数学表达式：、基尔霍夫定律的数学表达式： A1，所以，在任何温度下，各种物体中以绝对黑体 的辐射力为最大。 物体的辐射力越大，它的吸收率也越大。 2、黑度、黑度(blackness or emissivity)：实际物体的辐射力 E与同温度下绝对黑体的辐射力E0之比称为“黑度”。 0 E E 在温度相等的热平衡条件下，物体的黑度恒等于它的吸 收率，即 A 黑度表明物体辐射力接近黑体辐射力的程度，是分析和计 算辐射换热的一个重要参数。同一物体的黑度随本身的温 度和表面状态而不同。 单色黑度：单色黑度：物体的单色辐射力E与同温度下绝对 黑体的

10、单色辐射力E0,之比，即： A E E , 0 3、灰体（、灰体（gray body)：如在所有波长下，物体的单色辐射 力E与同温度、同波长下绝对黑体的单色辐射力E0,之比 为定值，这样的物体称为“灰体”。 实际物 体 称为灰体的单色黑度。 定值 , 0 E E 其值与波长无关，且小于1。 灰体的性质灰体的性质： 灰体 1、灰体的辐射光谱是连续的，而且曲线与同温度下绝 对黑体的光谱曲线相似。 2、灰体的吸收率等于其黑度，与投射无关。 大多数工程材料在热射线范 围内可被视为灰体。 斯蒂芬波尔兹曼定律也适 用于灰体： 2 4 4 00 / 100 100 mW T C T CEE 00 ACCC为

11、灰体的辐射系数 任何物体的辐射力恒小于同温度下黑体的辐射力。 第三节第三节 物体间的辐射换物体间的辐射换热热 一、黑体间的辐射换热一、黑体间的辐射换热 角系数角系数(angle factor) ：表面1发射的辐射能落在表面2上的 百分数，用X1,2表示， X1,2称为表面1对表面2的角系数。 X2,1称为表面2对表面1角系数。 1、2两表面间的辐射换热量Q1,2为 1 , 222, 02, 111 , 02, 1 XAEXAEQ 1 , 222, 11 XAXA 温度相等的热平衡条件下： 2, 01 , 02, 1 , 0EEQ 两表面在辐射换热时其角系数具有相对性。同样适用 于不等温灰体表面

12、间的辐射换热计算。 )( 2, 01 , 02, 11 1 , 222, 02, 111 , 02, 1 EEXA XAEXAEQ 2, 11 2 . 01 , 0 2, 1 1 XA EE Q 2, 11 1 XA两表面辐射换热的空间热阻空间热阻 三个黑体表面组成的封闭空腔的辐射换热： 1 3 , 1 2, 11 , 1 XXX 封闭空腔内的角系数具有完整性。 若平面1为平面或凸面时X1,10 二、灰体间的辐射换热和有效辐射二、灰体间的辐射换热和有效辐射 投射辐射 ：投射到表面1上 的外来辐射。 1 G 吸收辐射 ：被表面1吸收 的部分。 11G 反射辐射 ：被表面1反 射的部分。 11)

13、1 (G 本身辐射 ：表面1的 辐射力。 1 , 011 EE 2 111 , 011111 /)1 ()1 (mWGEGEJ 有效辐射有效辐射 ：表面1的本身辐射和反射辐射的总和。 1 J 表面1与外界的辐射换热量Q1： 2 111 , 011111 /)1 ()1 (mWGEGEJ WAGAJQ 11111 W A JE Q 11 1 11 , 0 1 1 11 1 1 A 称为灰体的“表面热阻表面热阻” 。 黑度越大，则表面热阻越小。 两灰体间的辐射换热的计算 22 2 2, 1111 1 2, 01 , 0 12 111 AXAA EE Q 2, 11 21 12 1 XA JJ Q

14、三个灰体间的辐射换热的计算 三、三、2个灰体间的辐射换热个灰体间的辐射换热 1 2, 11 , 1 XX 0 1 , 1 X 1 2, 1 X 22 2 2, 1111 1 2, 01 , 0 12 111 AXAA EE Q ) 1 1 ( 1 ) 1 1 ( )( 22 1 121 02011 2, 1 A A X EEA Q) 1( ) 1 1 ( 1 )( 2, 1 22 1 1 02011 X A A EEA W TT AC TT AC EEA ss s ) 100 () 100 () 100 () 100 ( )( 4241 1 4241 10 02011 黑度为辐射换热过程的系统

15、 s Cs系统辐射系数 间距较两相互平行的平壁尺寸小得多的辐射换热系统： 1 11 1 21 s 21 1 , 22, 1 1 AA XX ) 1 1 ( 1 )( 22 1 1 02011 2, 1 A A EEA Q 1 11 )( 21 2, 01 , 01 EEA )( 02011 EEA s A2A1时的辐射换热 1 s 0/ 1 21 2, 1 AA X ) 1 1 ( 1 )( 22 1 1 02011 2, 1 A A EEA Q)( 020111 EEA 四、遮热板（四、遮热板（thermal shield)的应用的应用 遮热板：遮热板：插入辐射换热表面之间以削弱辐射换热的薄

16、板。 1 11 )( 21 2, 01 , 01 2, 1 EEA Q 1 11 )( 31 3 , 01 , 01 3 , 1 EEA Q 1 11 )( 23 2, 03 , 03 2, 3 EEA Q 2, 12, 33 , 1 321321 , QQQ AAA 1 11 )( 2 1 21 2, 01 , 01 2, 1 EEA Q 在两灰体表面间插入与灰体黑度相等 的薄板，其辐射换热减少一半。 遮热板减少热辐射的原因 对受射体来说，遮热板成了发射 体，而T3T1；发射体与受射物体 间的温度降落，原来是一次的， 有了遮热板就分为多次降落，这 样受射体获得的热量就减少了。 实际工程中，为

17、了有效削弱辐射换热，往往采用黑度 较低的金属薄板作为遮热板。 例例1 在黑度为0.8的两个平行面之间插入一块黑度为 0.05的抛光铝片。求其辐射换热量是未插入遮热板的 多少分之一。 )(666. 0 1 8 . 0 1 8 . 0 1 )( 2, 01 , 01 2, 01 , 01 EEA EEA 解： 1 11 )( 21 2, 01 , 01 2, 1 EEA Q )(0494. 0 1 05. 0 1 8 . 0 1 )( 3 , 01 , 01 3 , 01 , 01 3 , 1 EEA EEA Q )(0494. 0 1 8 . 0 1 05. 0 1 )( 2, 03 , 03 2, 03 , 03 2, 3 EEA EEA Q 321312 QQQ )(0247. 0)( 2 0494. 0 2, 01 , 012, 01 , 012, 1 EEAEEAQ %71. 3 666. 0 0247. 0 2, 1 2, 1 Q Q 例例2 热空气在没有热绝缘材料包扎的管道内流过，管 道直径D100mm（如图）。现在用具有直径d=15mm 保护套的热电偶来测量空气的温度，空气流速w=5m/s, 空气对保护套的换热系数=21.7W/(