自然对流换热课件

第十一章辐射换热1

第八章已指出，热辐射是热量传递的基本方式之一，以热辐射方式进行的热量交换称为辐射换热。辐射换热在热能动力工程、核能工程、冶金、化工、航天、太阳能利用、干燥技术以及日常生活中的加热、供暖等方面具有非常广泛的应用。

本章主要从宏观的角度介绍热辐射的基本概念、基本定律以及辐射换热的计算方法。第十一章辐射换热1第八章已指出，热辐射是热量传递的11-1

热辐射的基本概念

21.

吸收、反射与透射

投入辐射:单位时间内投射到单位面积物体表面上的全波长范围内的辐射能。GW/m2

反射辐射:G

W/m2

吸收辐射:G

W/m2

透射辐射:G

W/m2

11-1热辐射的基本概念21.吸收、反射与透射3吸收比

反射比透射比

根据能量守恒，如果投入辐射是某一波长

的辐射能G

，则

光谱吸收比

光谱反射比

光谱透射比

与的关系：3吸收比反射比透射比根据能量守恒，如果投入辐射是某一波

不仅取决于物体的性质，还与投射辐射能的波长分布有关。4

注意：

（1）属于物体的辐射特性，取决于物体的种类、温度和表面状况，是波长的函数。

（2）固体和液体对辐射能的吸收和反射基本上属于表面效应：金属的表面层厚度小于1m；绝大多数非金属的表面层厚度小于1mm。

（3）对于固体和液体，。

镜反射与漫反射：

产生何种反射决于物体表面的粗糙程度和投射辐射能的波长。不仅取决于物体的性质，还与投射辐射能的52.

灰体与黑体

灰体：注意：黑体、白体与黑色、白色物体的区别。

光谱辐射特性不随波长而变化的假想物体，即分别等于常数。绝对黑体：

吸收比

=1的物体，简称黑体。黑体和灰体一样，是一种理想物体。人工黑体模型：

镜体（漫反射时称为白体）：

=1

绝对透明体

：

=1

52.灰体与黑体灰体：注意：黑体、白体与黑色、白色63.

辐射强度

辐射强度说明物体表面在空间某个方向上发射辐射能的多少。立体角：

半径为r的球面上面积A与球心所对应的空间角度，单位为Sr（球面度）

（

，

）方向上的微元面积

dA2对球心所张的微元立体角

63.辐射强度辐射强度说明物体表面在空间某个方向7辐射强度：

单位时间内从单位投影面积（可见面积）所发出的包含在单位立体角内的所有波长的辐射能。

称为dA1在（

，

）方向的辐射强度，或称为定向辐射强度，单位是W/(m2

Sr)。

7辐射强度：单位时间内从单位投影面积（可见面积）所发8

辐射强度的大小不仅取决于物体种类、表面性质、温度，还与方向有关。对于各向同性的物体表面，辐射强度与角

无关，。

光谱辐射强度：某波长辐射能的辐射强度称为该波长的光谱辐射强度。

辐射强度与光谱辐射强度之间的关系光谱辐射强度的单位为W/(m3

Sr)或W/(m2

m

Sr)。

8辐射强度的大小不仅取决于物体种类、表面性质、温度，9

4.辐射力

辐射力：在单位时间内，每单位面积表面向半球空间发射的全部波长的辐射能，用E表示，单位为W/m2。光谱辐射力：

单位时间内，单位面积物体表面向半球空间发射的某一波长的辐射能，用E

表示，单位为W/m3。辐射力与光谱辐射力之间的关系定向辐射力：

在单位时间内，单位面积表面向某方向发射的单位立体角内的辐射能，用E

表示，单位为W/(m2sr)。94.辐射力辐射力：在单位时间内，每单位面10定向辐射力与辐射力之间的关系：定向辐射力与辐射强度之间的关系：辐射力与辐射强度之间的关系：10定向辐射力与辐射力之间的关系：定向辐射力与辐射强度之间11-2

黑体辐射的基本定律

111.普朗克（Planck）定律2.斯忒藩-玻耳兹曼（Stefan-Boltzmann）定律3.兰贝特（Lambert）定律11-2黑体辐射的基本定律111.普朗克（Planck121.普朗克定律C1=3.743×10-16W

m2;C2=1.439×10-2mK。

特点：

（1）温度愈高，同一波长下的光谱辐射力愈大；

（2）在一定的温度下，黑体的光谱辐射力在某一波长下具有最大值；

（3）随着温度的升高，Eb

取得最大值的波长

max愈来愈小，即在

坐标中的位置向短波方向移动。121.普朗克定律C1=3.743×10-16Wm13维恩（Wien）位移定律:

太阳表面温度约为5800K，由上式可求得

max=0.5

m，位于可见光范围内，可见光占太阳辐射能的份额约为44.6%。

对于2000K温度下黑体,可求得

max=1.45

m，位于红外线范围内。

2.斯忒藩-玻耳兹曼定律

斯忒藩-玻耳兹曼定律表达式：

式中

=5.67×10-8W/(m2

K4)，称为斯忒藩-玻耳兹曼常量(数)，又称为黑体辐射常数。

（四次方定律）

13维恩（Wien）位移定律:太阳表面温度约为5814

斯忒藩—玻耳兹曼定律表达式可直接由下式导出：

波段辐射力波段辐射力占黑体辐射力Eb的百分数

14斯忒藩—玻耳兹曼定律表达式可直接由下式导出：15

根据普朗克定律表达式，

f(T)称为黑体辐射函数，表示温度为T的黑体所发射的辐射能中在波段0～

内的辐射能所占的百分数。

利用黑体辐射函数数值表（309页表11－1）可以很容易地用下式计算黑体在某一温度下发射的任意波段的辐射能量：

15根据普朗克定律表达式，f(T)称为黑体辐射函163.兰贝特定律

兰贝特定律:黑体的辐射强度与方向无关，半球空间各方向上的辐射强度都相等。

漫发射体：

空间各个方向上辐射强度都相等的物体。

根据定向辐射力与辐射强度的关系En为表面法线方向的定向辐射力。兰贝特定律也称为余弦定律。

根据辐射力与辐射强度的关系可求得163.兰贝特定律兰贝特定律:黑体的辐射强度与方向1711-3

实际物体的辐射特性，基尔霍夫定律1.

实际物体的发射特性

发射率（黑度）：发射率反映了物体发射辐射能的能力的大小。

光谱发射率（光谱黑度）：发射率与光谱发射率之间的关系为对于灰体，

＝常数，

1711-3实际物体的辐射特性，基尔霍夫定律1.实际物体18

实际物体的光谱辐射力随波长的变化规律不同于黑体和灰体，实际物体的光谱发射率是波长的函数。

在工程计算中，实际物体的辐射力可以由下式计算：

实际物体的辐射力并不严格遵循四次方定律，所存在的偏差包含在由实验确定的发射率数值之中。

定向发射率（定向黑度）：

实际物体不是漫发射体，定向发射率是方向角

的函数。ελ18实际物体的光谱辐射力随波长的变化规律不同于黑体和19几种非金属材料的定向发射率金属非金属

实际物体发射率数值大小取决于材料的种类、温度和表面状况，通常由实验测定。

半球总发射率19几种非金属材料的定向发射率金属非金属实际物体发202.

实际物体的吸收特性

实际物体的光谱吸收比也与黑体、灰体不同，是波长的函数。几种金属材料的光谱吸收比202.实际物体的吸收特性实际物体的光谱吸收比也21

辐射特性随波长变化的性质称为辐射特性对波长的选择性。实际物体的吸收比不仅取决于物体本身材料的种类、温度及表面性质，还和投入辐射的波长分布有关，因此和投入辐射能的发射体温度有关。几种非金属材料的光谱吸收比21辐射特性随波长变化的性质称为辐射特性对波长的选择22

工程上的热辐射主要位于0.76～10

m的红外波长范围内，绝大多数工程材料的光谱辐射特性在此波长范围内变化不大，因此在工程计算时可以近似地当作灰体处理。一些材料对黑体辐射的吸收比随黑体温度的变化。

22工程上的热辐射主要位于0.76～10233.基尔霍夫（G.R.Kirchhoff）定律

基尔霍夫定律揭示了物体吸收辐射能的能力与发射辐射能的能力之间的关系，其表达式为

说明吸收辐射能能力愈强的物体的发射辐射能能力也也愈强。在温度相同的物体中，黑体吸收辐射能的能力最强，发射辐射能的能力也最强。

对于漫射体，辐射特性与方向无关，

对于漫射、灰体，辐射特性与波长无关，233.基尔霍夫（G.R.Kirchhoff）定律24

对于工程上常见的温度范围（T≤2000K），大部分辐射能都处于红外波长范围内，绝大多数工程材料都可以近似为漫发射、灰体，不会引起较大的误差。但在太阳能利用中就不能简单地将物体当作灰体。这是因为近50%的太阳辐射位于可见光的波长范围内，而自身热辐射位于红外波长范围内，由于实际物体的光谱吸收比对投入辐射的波长具有选择性，所以一般物体对太阳辐射的吸收比与自身辐射的发射率有较大的差别。24对于工程上常见的温度范围（T≤2000K），大11-4

辐射换热的计算方法

251.角系数

假设：

（1）进行辐射换热的物体表面之间是不参与辐射的介质(单原子或结构对称的双原子气体、空气)或真空；

（2）每个表面都是漫射、灰体或黑体表面；

（3）每个表面的温度、辐射特性及投入辐射分布均匀。

（1）角系数的定义

从表面1发出的总辐射能中直接投射到表面2上份额称为表面1对表面2的角系数，用符号X1,2表示。11-4辐射换热的计算方法251.角系数假设：26

假设表面1、2都是黑体表面，根据辐射强度的定义，单位时间内从dA1发射到dA2上的辐射能为从整个表面1发射到表面2的辐射能为26假设表面1、2都是黑体表面，根据辐射强度的定义，27

根据角系数的定义,角系数X1,2和X2,1分别为可以看出，在上述假设条件下，角系数是几何量，只取决于两个物体表面的几何形状、大小和相对位置。

（2）角系数的性质

1）相对性（互换性）：

2）完整性：27根据角系数的定义,角系数X1,2和X2,1分别28

3）角系数的可加性：

（3）角系数的计算方法

有积分法、代数法、图解法(或投影法)等

1）积分法：

根据角系数表达式通过积分运算求得角系数结果查有关手册（书327页表）283）角系数的可加性：（3）角系数的计算方法29

2）代数法：

利用角系数的定义及性质,通过代数运算确定角系数。

图(a)、(b)：

图(c)：

图(d)：

三个非凹表面构成的封闭空腔完整性相对性292）代数法：利用角系数的定义及性质,3030312.黑体表面之间的辐射换热

对于任意位置的两个黑体表面1、2，据角系数定义称为空间辐射热阻

312.黑体表面之间的辐射换热对于任意位置的两个32

如果由n个黑体表面构成封闭空腔,那么每个表面的净辐射换热量为

注意：

1,2是两个任意位置的黑体表面1、2之间直接的辐射换热量，没考虑其它表面的影响。如果两个黑体表面构成封闭腔，则

1,2是两个表面净交换的热量。辐射网络32如果由n个黑体表面构成封闭空腔,那么每个表面的333.灰体表面之间的辐射换热

（1）有效辐射

单位时间内离开单位面积表面的总辐射能,用符号J表示,单位是W/m2。

单位面积的辐射换热量上两式联立可解得自身的辐射力反射的投入辐射有效辐射投入辐射(漫灰表面)333.灰体表面之间的辐射换热（1）有效辐射单位34称为表面辐射热阻

对于黑体表面，

=1，表面辐射热阻为零，。

（2）两个漫灰表面构成的封闭空腔中的辐射换热

若两个漫灰表面1、2构成封闭空腔,T1>T2，则表面1净损失、表面2净获得的热量分别为表面辐射热阻网络单元34称为表面辐射热阻对于黑体表面，=1，表面辐射热35

表面1、2之间净辐射换热量为

根据封闭腔的能量守恒，

联立以上三式，可得两表面封闭空腔的辐射网络

空间辐射热阻网络单元35表面1、2之间净辐射换热量为根据封闭腔36

对于两块平行壁面构成的封闭空腔

1,2

称为系统黑度

对于凸型物体1和包壳2之间的辐射换热,如果，36对于两块平行壁面构成的封闭空腔1,2称为系11-5

遮热板的原理

37

遮热板的主要作用就是削弱辐射换热。下面以两块靠得很近的大平壁间的辐射换热为例来说明遮热板的工作原理。

没有遮热板时，两块平壁间的辐射换热有2个表面辐射热阻、1个空间辐射热阻。

在两块平壁之间加一块大小一样、表面发射率相同的遮热板3，

如果忽略遮热板的导热热阻，则总辐射热阻增加了1倍，辐射换热量减少为原来的1/2，即11-5遮热板的原理37遮热板的主要作用就是削弱38

如果加n层同样的遮热板，则辐射热阻将增大n倍，辐射换热量将减少为

遮热板通常采用表面发射率小、表面辐射热阻大的材料，如表面高度抛光的薄铝板