热工基础与应用 (第4版)课件：辐射传热

§12-1热辐射的基本概念1.定义：由于热的原因，以电磁波形式传递能量的过程一、热辐射定义2.电磁波谱

辐射传热①热射线0.1-100μm：包括太阳0.38-100μm：2000K以下②微波炉微波是波长在1mm-1m之间的电磁波，不是热辐射微波可以穿过塑料、玻璃及陶瓷制品，但却会被像水那样具有极性分子的物体吸收，在物体内部产生接近均匀分布的内热源，使物体得到比较均匀地加热。而一般烘箱则是物体表面上进行接近恒热流的加热。大部分能量在红外区：0.76-20μm1.传播无需介质，真空传播更有效二、热辐射特点好：航天器散热坏：热水瓶保温2.伴随能量的转移和能量形式的转换3.动态热平衡4.发射辐射取决于温度的4次方氢弹爆炸，3×107K核能的和平利用与核武器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4-50所示。5.物体对热辐射的吸收、反射和穿透(absorptivity;transmissivity;reflectivity)

物体对热辐射的吸收反射和穿透①对于大多数的固体和液体：透明体：发生在表面，表面状况影响显著②对于不含颗粒的气体：发生在气体容积内部，表面状况不重要③黑体：白体：④反射又分镜反射和漫反射两种黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中不存在。但可以人工制造出近似的人工黑体。黑体模型流体力学：理想流体工程热力学：理想气体三、黑体概念1.α=1夏天穿黑衣服2.人工黑体模型空腔上的小孔特性：①具有黑体性质的是小孔，而非空腔，空腔内壁α<1②空腔形状没有影响，关键是小孔足够小③模型内壁温度均匀(辐射均匀而且各向同性)，空腔内表面上的有效辐射(自身辐射+反射)就是同温度下的黑体辐射黑洞洞的枪口远眺窗口举例：研究思路：相同温度物体中，黑体辐射能力最大(Kirchhoff定律)，先研究黑体，把其他物体的辐射和黑体相比较，找出偏差，确定必要的修正系数。一、Stefan-Boltzmann定律式中，σ=5.67×10-8W/(m2

K4)，Stefan-Boltzmann常数1.辐射力E(emissivepower)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,从总体上表征了物体辐射本领的大小

(W/m2)2.§12-2热辐射基本定律黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，包括所有方向和所有波长3.实际物体总发射率(emissivity)因此，定义发射率(也称为黑度)

：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比ε一般由实验测定，物体发射率只取决于自身，与外界无关真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体物体ε取决于自身，与外界条件无关4.影响ε的因素一般对同种材料，氧化ε>非氧化ε，粗糙ε>磨光ε物体种类(材料)自身温度(一般地，ε随温度升高而升高)表面状况(氧化与否，粗糙/光滑磨光)因为ε与T有关，实际物体E=εσT4，并不严格与T4成正比波长？空间方向？1.实际物体吸收比1）(总)吸收比α物体对投入于其表面上的辐射能的吸收百分比投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能二、吸收比与发射率的关系－

Kirchhoff定律物体对某一特定波长λ的辐射能所吸收的百分数，也叫单色吸收比。2）光谱吸收比α(λ)α(λ)只取决于自身，不管投入辐射如何，吸收物体对某一特定波长的吸收能力是确定的。光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。2.光谱吸收比与波长关系的讨论1）一般物体，其光谱吸收比都与波长有关，这是客观世界五彩缤纷的特点全部吸收可见光，黑色

物体颜色主要是由物体表面所反射的射线中(可见光)那种波长占优势而确定，只有对温度很高的物体，其自身辐射能中含有足够大的可见光百分数时，才是自身发射的辐射能取决于其颜色全部反射可见光，白色均匀吸收可见光，灰色2）焊接工人戴一副黑色眼镜特种玻璃吸收紫外线3）暖房(大棚蔬菜，全球变暖)4）中空低辐射玻璃(浅镀膜玻璃)波长范围为0.4～0.8μm的可见光，可全部透过，室内明亮室内热量以长波红外线形式穿透内层玻璃，透过空气间隙撞击到低辐射玻璃镀膜时，被反射回来50％太阳光中紫外波长0.3～0.4μm，全部反射回去，家具不易老化褪色欧共体2001年6月颁布了楼宇小区新的建筑节能标准，规定“强力推广使用由低辐射玻璃制造的中空玻璃”5）灰体(Greybody)即将光谱吸收比

(

)等效为常数，即

=

(

)=const。将

(

)与波长无关的物体称为灰体，与黑体类似，它也是一种理想物体，但对于大部分工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可以容忍的.①定义只要在所研究的波长范围内

(

)=const即可，不要求全部波长②简化的合理性工程材料，波长范围在0.76～20μm之间，基本上

(

)=const(投入辐射为红外线)三个层次上的Kirchhoff定律层次数学表达式成立条件光谱，定向光谱，半球全波段，半球无条件，

为纬度角漫射表面与黑体处于热平衡或对漫灰表面(联系

与ε)对于黑体，

=ε=1，对于一般物体？3.Kirchhoff定律1）因为大多数物体可近似当作漫灰体，因此有

=ε，善于发射必善于吸收，物体的吸收率在一般手册中无法查到，有ε就有，大大简化计算2）研究物体与太阳能之间的吸收关系时，物体一般不能当作灰体，即，物体常温下的发射率（等于该温度下的吸收比）不等于该温度下对太阳能的吸收比。油漆，在常温下发射率均为0.9左右，但对太阳中可见光的吸收比，白漆仅为0.1～0.2，黑漆高达0.9。彩色冰箱vs白色冷藏车，白色空调室外机例.将木板和铝板同时放在太阳光下，哪个温度高？吸收能量：铝板吸收太阳能>木板自身辐射能量：木板和铝板的自身辐射在红外辐射区域，由Kirchhoff定律，ε=

，铝板向外辐射红外能量<木板太阳能集热器的研究中要求集热器涂层具有高的对太阳辐射的吸收比，而又希望减小涂层本身的发射率以减少热损失，目前开发出的涂层材料的吸收比与发射率之比可高达8～101.透明覆盖；2.吸热面；3.金属管；4.绝热材料；5.箱体思考题：1.在加热炉的大门上开有边长为2cm×3.5cm的小孔，炉内壁温度为680℃，炉壁发射率为0.75。试求从炉内经小孔投射到外界的辐射能。

2.一内壁保持恒定温度的封闭空腔，其内表面积100m2,腔壁上开0.02m2面积的小孔，测得由小孔发射出的辐射能为70W。试问封闭腔内壁的温度是多少？把空腔内表面抛光，对小孔向外辐射有何影响？§12-3平均角系数和黑体间的辐射换热

一、黑体表面间的辐射换热

角系数X1，2：

表面1发出的辐射能落在表面2上的百分比。黑体表面间的辐射换热量：空间辐射热阻：

角系数完全是一个几何因子物体表面温度及发射率的改变只影响发射的辐射能的绝对大小，不影响落到其他表面上的百分数二、角系数的特征

1.角系数的相对性

2.角系数的完整性

3.角系数的分解性（可加性）

封闭空间三、角系数的确定

简单特殊物体表面间的角系数1.两块很接近的大平行平板：2.一非凹表面被另一凹表面所包围3.三个非凹表面组成的封闭系统：

4.两个可以相互看见的非凹表面组成的如图系统：工程用线图：

利用对称性举例∵∴§12-4灰体表面间的辐射换热

一、有效辐射

投入辐射G：

单位时间内投入到单位面积上的总能量。有效辐射J：

单位时间内离开单位面积上的总辐射能量＝本身辐射＋反射辐射。

黑体的有效辐射＝本身辐射表面辐射热阻：

因表面不是黑体而产生的热阻。

二、两个灰体表面组成的封闭系统的辐射换热

11几种特例：(1)两表面均为黑体(2)且X1,2=X2,1=1，靠得很近的平行平板(4)(3)X1,2=1一非凹表面1被另一凹表面2所包围一非凹表面1被另一凹表面2所包围且表面1面积非常小大房间内的小物体热电偶测温的辐射误差一个三表面封闭系统如果表面是黑体，可以计算；如果不是，要用三表面间辐射换热的知识计算角系数的技巧一直径d=0.75m的圆筒形埋地式加热炉采用电加热方法加热，如图所示。在操作过程中需要将炉子顶盖移去一段时间，设此时筒身温度为500K，筒底为650K。环境温度为300K。试计算顶盖移去期间单位时间内的热损失。设筒身及底面均可作为黑体。

据角系数图，，据相对性得

再据相对性得，故最后得三、遮热板(削弱辐射换热或隔绝辐射换热)

如果插入一块无限大薄金属板1空间热阻＋2表面热阻2空间热阻＋4表面热阻不考虑遮热板的导热热阻遮热板的应用汽轮机中用于减少内、外套管间辐射传热遮热板应用于储存液态气体的低温容器遮热板用于超级隔热油管超级保温材料：多层抽真空结构，采用高反射率(低发射率)，薄隔板组成多层抽真空结构，垂直于隔板方向λ=10-5W/(m·K)田长霖多层遮热板超级隔热油管§12-5气体辐射简介

气体辐射的特点不同种类的气体的辐射和吸收能力各不相同空气、O2、N2、H2等结构对称的双原子气体没有辐射和