《传热学》课件-第十章 辐射换热

第十章辐射换热

210.1热辐射的基本概念10.2热辐射的基本定律10.4气体辐射本章小结10.3物体间的辐射换热概要

3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；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。

410-1热辐射的基本概念热辐射的本质及特点

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)。

5电磁辐射波谱

6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。

7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。物体对热辐射的吸收、反射和穿透图10-2物体对热辐射的吸收反射和穿透吸收比反射比透射比

8对于大多数的固体如金属、砖、木材等。对于不含颗粒的气体黑体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。黑体、白体和透明体

9人工黑体和灰体

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。

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。

1010-2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

11斯忒藩

—玻尔兹曼定律

式中，C0=5.67W/(m2

K4)；为黑体的辐射系数σb=5.67×10-8W/(m2

K4)，是斯忒藩—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：

12例题分析【例题10-1】设有一块钢板放在室温27°C的车间中，问在热平衡条件下，每平方米钢板在单位时间内需要从外界吸取多少热量？如将钢板加热到627°C，它的辐射力为多大？钢板的黑度取0.82.解：当钢板与周围物体之间处于热平衡时，其自身温度也等于27°C。钢板本身每平方米面积向外界辐射的能量为：钢板在627°C对其辐射力为

13实际物体、黑体和灰体的辐射能量光谱

14某些工业材料的黑度材料温度[℃]ε红砖200.93耐火砖—0.8~0.9钢板(氧化的)200~6000.8钢板(抛光的)940~11000.55~0.61铝(氧化的)200~6000.11~0.19铝(抛光的)225~5750.039~0.057铜(氧化的)200~6000.57~0.87铜(抛光的)—0.03铸铁(氧化的)200~6000.64~0.78铸铁(抛光的)330~9100.6~0.7

15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

16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，可导得平行平板间的辐射换热表述：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。基尔霍夫定律的导出及表述

17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。

1810-3物体间的辐射换热

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

19两个无限大的平板间的角系数X1,2=X2,1=1X1,2=X2,1=01>X1,2=X2,1>0

20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。

21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

22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

23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

24黑体表面间的辐射换热

黑体间的辐射换热图示Eb2Eb1

25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表面热阻网络图J1Eb1

26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。表面辐射热阻网络图

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。空间辐射热阻网络图

27两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2,11211,2222,1112,11=-=FXAJJXJAXJA表面1失去能量表面2获得能量-

28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两灰体表面组成的封闭系统的辐射换热

29【例10-2】计算车间内蒸汽管道外表面的辐射散热损失。已知管道保温层的表面黑度为0.9，外径为583mm，外壁温度为48°C，室温23°C。例题分析

30两无限大平行灰体间辐射换热

31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。

32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.遮热板原理及应用加遮热板前

33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

34例题分析【例10-3】两平行大平壁，表面黑度各为0.5和0.8，如果中间加入一片黑度为0.05的铝箔，试计算辐射换热将减少的百分比。

35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

3610-4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。

37图10-17CO2

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