内科大冶金传输原理课件13辐射换热

传输原理热量传输

13.辐射换热辐射换热是指物体之间通过相互辐射和吸收进行的热量传输过程。物体由于自身温度引起的发射辐射能的现象,依靠热射线（电磁波）传递热量热辐射紫外线0.1--0.38可见光0.38--0.76红外线0.76--100ZHZWtransfers13.辐射换热13.1

热辐射的基本概念热射线：理论上为0—∞范围，波长在0.1—100µm之间。工程上的热辐射集中在0.76～40微米的红外线部分——红外线辐射。不需要冷热物体的直接接触，也不需要中间介质伴随有能量形式的转换，即辐射时由内能转换为辐射能，吸收时由辐射能转换为内能。一切温度高于0K的物体都在不断地向外发射辐射能，也在吸收周围物体发射到它表面上的辐射能。ZHZWtransfers13.辐射换热13.1

热辐射的基本概念热辐射特点高温物体的热能以电磁波的形式传递给低温物体ZHZWtransfers13.辐射换热13.1

热辐射的基本概念辐射能的吸收、反射和投射吸收热能

低温物体热能高温物体辐射能流（热射线）GGRGDGA穿透

与中间介质无关而由电磁波传输反射

物体能将外界投射来的辐射能全部吸收－－黑体ZHZWtransfers13.辐射换热13.1

热辐射的基本概念辐射能的吸收、反射和投射能量守恒原理吸收率反射率透射率物体能将外界投射来的辐射能全部反射入射角等于反射角－－镜体；漫反射－－白体外界投射到物体上的辐射能全部透过物体－－透明体固体、液体：对辐射能的吸收只在物体表面薄层内进行，可认为其透射率：D=0ZHZWtransfers13.辐射换热13.1

热辐射的基本概念辐射能的吸收、发射和投射表面辐射气体：对热辐射几乎不能反射，即：R=0对称的双原子气体、纯净空气，可认为其基本不吸收辐射能，即A≈0体积辐射物体向外发射的辐射能包括不同波长和不同空间方向的能量ZHZWtransfers13.辐射换热13.1

热辐射的基本概念辐射力、辐射强度辐射力：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的全部波长的辐射能量单色辐射力：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的某一特定波长的辐射能量,描述辐射能按波长分布方向辐射力：单位时间内，物体的单位表面积向某一方向单位立体角内发射的全部波长的辐射能量辐射强度：单位时间内，与某一辐射方向垂直的单位辐射面积在单位立体角发射的全部波长的辐射能量ZHZWtransfers13.辐射换热13.1

热辐射的基本概念立体角：是一个空间角度，单位为Sr

。

经度角d

d

纬度角

rSin

rSin

d

rd

dF整个半球的面积为2πr2

，为2π个球面度立体角

=F/r2，Sr

为球面度ndQ

d

dF1Cos

ZHZWtransfers13.辐射换热13.1

热辐射的基本概念dF1与方向辐射力关系E

=I

Cos

在法线上En=In

ZHZWtransfers13.辐射换热13.2

黑体辐射的基本定律黑体模型随温度升高，黑体的单色辐射力和辐射力都在迅速增大；在波长为0、无穷大处，每一分布曲线都有一峰值；随着温度升高，黑体的最大单色辐射力向短波长方向移动。普朗克定律ZHZWtransfers13.辐射换热13.2

黑体辐射的基本定律普朗克定律维恩定律ZHZWtransfers13.辐射换热13.2

黑体辐射的基本定律斯蒂芬－玻尔兹曼定律斯蒂芬常数，ZHZWtransfers13.辐射换热13.2

黑体辐射的基本定律兰贝特定律n

θ

Eb

：黑体在θ方向的辐射力

Ebn：黑体在法向的辐射力E

=I

Cos

En=In

Ib

=Ebn

=Ibn

Ib

1=Ib

2=Ib

3=…=Ibn黑体的定向辐射强度与方向无关服从兰贝特定律的表面叫漫辐射表面黑体辐射力Eb与辐射强度Ib的关系ZHZWtransfers13.辐射换热13.3

实际物体表面的辐射－－灰体实际物体的辐射特性发射率：实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力的比值发射率表征实际物体的辐射本领接近于黑体辐射的程度。ZHZWtransfers13.辐射换热13.3

实际物体表面的辐射－－灰体实际物体的辐射特性发射率的影响因素材料的物理性质表面粗糙度明显影响

的是光学粗糙度△/

，成正比温度金属-----<5μm,T↗，

↘;>5μm,

∝T

非金属-----T↗，

↘。非金属的黑度大于金属的黑度。

>0.78

表面氧化层波长金属：

↗，

↘非金属：

↗，

↗ZHZWtransfers13.辐射换热13.3

实际物体表面的辐射－－灰体实际物体的吸收特性单色吸收率：物体对某一特定波长的投射辐射所吸收的份额自身表面性质与温度投射波长－－投射物体的表面性质与温度吸收率：所有波长投射辐射：单位时间内，外界投射到物体单位面积上的辐射能ZHZWtransfers13.辐射换热13.3

实际物体表面的辐射－－灰体基尔霍夫定律实际物体与黑体构成的辐射系统中，在热平衡条件下实际物体的吸收率等于其发射率理想物体，简化辐射换热计算有重要意义，在红外辐射波长范围内大部分工程材料都可近似看做灰体。适用于漫反射，不受投射辐射沿波长的分布影响,仅取决于自身温度灰体单色吸收率与波长无关的物体ZHZWtransfers13.辐射换热13.4

角系数

各物体向外发射了多少辐射能；各物体向外发射的辐射能中有多少投射到另一个物体上；各物体吸收了多少投射到它上面的辐射能。由表面1投射到表面2的辐射能量占离开表面1的总辐射能的份额称为表面1对表面2的角系数工程上计算辐射换热角系数的定义ZHZWtransfers13.辐射换热13.4

角系数黑体角系数的定义ZHZWtransfers13.辐射换热13.4

角系数黑体角系数的定义角系数仅与两个表面的形状、大小、距离及相对位置有关，而与表面的发射率、温度无关，纯属几何参数，不仅适合于黑体，也适用于其它符合漫辐射及漫反射的物体ZHZWtransfers13.辐射换热13.4

角系数相对性角系数的性质完整性和分性

两不可自见面组成的封闭空间

如：无限大平行平板，距离很近的同轴管壁的夹层等。ZHZWtransfers13.辐射换热13.4

角系数角系数的确定方法ZHZWtransfers13.辐射换热13.4

角系数角系数的确定方法一可自见面和一不可自见面组成的封闭系统由角系数的完整性：由角系数相对性：

两可自见面组成的封闭系统ZHZWtransfers13.辐射换热13.4

角系数角系数的确定方法F1F2f在交界处假想有一平面f，则f

分别和一面，二面组成了两个封闭体系，都是一个可自见面和一个不可自见面组成的封闭系统。三个不可自见面组成的封闭系统ZHZWtransfers13.辐射换热13.4

角系数角系数的确定方法F1F2F3两表面间净交换的热量为：T2F2T1

F1ZHZWtransfers13.辐射换热13.5两黑体表面间的辐射换热黑体表面的吸收率A=1，没有透射和反射。表面1发出而落到表面2上的能量为：表面2发出而落到表面1上的能量为：

Q13=Q1→2-Q2→1

=Eb1F1φ13-Eb2F2φ21Q2→1=Eb2F2φ21Q1→2=Eb1F1φ13Q13=（Eb1-Eb2）F1φ131/F1φ13_---------空间热阻,与表面的几何因素和距离有关。Q13Eb1Eb21/F1φ13等效电路图(空间网络单元):ZHZWtransfers13.辐射换热13.5两黑体表面间的辐射换热ZHZWtransfers13.辐射换热13.6灰体表面间的辐射换热

JGAGE=εEbRG=(1-A)G自身辐射

E:单位时间，单位表面积发出的辐射能叫物体的自身辐射单位为W/㎡，即物体的辐射力。投射辐射G:单位时间，投射到单位面积上的辐射能。W/㎡反射辐射RG

:单位时间，单位面积反射出的辐射能。即物体表面对投来辐射的反射。W/㎡吸收辐射AG

:单位时间，单位面积吸收的辐射能。即物体表面对投来辐射的吸收。W/㎡有效辐射J

:单位时间，单位面积辐射出的总的能量。包括两部分:自身辐射和反射辐射。W/㎡J=E+RG=εEb+(1-A)G基本概念ZHZWtransfers13.辐射换热13.6灰体表面间的辐射换热物体表面与外界的热平衡：q=J–G物体内部热平衡：q=E–AG=

Eb–AGA

=

灰体表面与外界的辐射换热

模拟电路图为：Q1EbJ1-

/(

F)ZHZWtransfers13.辐射换热13.6灰体表面间的辐射换热

1-

/(

F)：(1-

/

)

为表面热阻，如果是单位面积的热阻叫单位热阻它仅与表面的性质有关，当表面为黑体时，则表面热阻为零，说明物体不是黑体，相当于有一个热阻。

表面网络单元ZHZWtransfers13.辐射换热13.6灰体表面间的辐射换热两个灰体表面间的辐射换热热辐射网络法:利用热量传输和电量传输的类似性，将辐射换热系统模拟成相应的电路系统，然后通过电路分析来确定辐射换热量的一种方法。可以使问题简化。基本网络单元Q13Eb1Eb21/F1φ13黑体表面间的空间热阻Q1EbJ1-ε/(εF)灰体的表面热阻Q13J1J21/(φ13F1)灰表面间的空间热阻两灰表面组成的封闭系统ZHZWtransfers13.辐射换热13.6灰体表面间的辐射换热两个灰体表面间的辐射换热Eb1Eb2J1J2Q1Q13Q2两灰表面间的

辐射换热量几种常见的简化情况ZHZWtransfers13.辐射换热13.6灰体表面间的辐射换热两个灰体表面间的辐射换热无限大平行平板F1=F2=Fφ13=φ21=1一个凹面与一个凸面或一个平面间的辐射换热

φ13=1φ21=F1/F2

三个灰体表面间的辐射换热ZHZWtransfers13.辐射换热13.6灰体表面间的辐射换热F1F2F3热辐射网络图为Eb1Eb2Eb3J1J2J3Q1Q2Q13Q13Q23Q3克西霍夫定律:稳定态传热时，汇入节点的热量之和为零。ZHZWtransfers13.辐射换热13.6灰体表面间的辐射换热三个灰体表面间的辐射换热节点1：节点2：节点3：

几种简化情况：

有一个表面绝热：假定F3

绝热时有：

F3

为黑表面：则表面热阻为零

F3

很大，表面热阻

ZHZWtransfers13.辐射换热13.6灰体表面间的辐射换热三个灰体表面间的辐射换热

q3=0Eb3=J3Eb3=J3

热网络图可以简化为ZHZWtransfers13.辐射换热13.6灰体表面间的辐射换热三个灰体表面间的辐射换热Eb2Eb1=Eb3J1J2J3Q1Q2Q13Q13Q23辐射和吸收光谱不连续，只辐射和吸收一定波长范围的能量。

ZHZWtransfers13.辐射换热13.6气体辐射气体辐射的特点辐射与吸收和分子结构有关单、双原子气体为透明介质。三原子以上的多原子气体才有较强的辐射和吸收能力。辐射性气体：CO2、H2O、SO2等辐射与吸收对波长具有选择性ZHZWtransfers13.辐射换热13.6气体辐射气体辐射的特点水蒸气和二氧化碳的辐射和吸收光带ZHZWtransfers13.辐射换热13.6气体辐射气体辐射的特点光带H2OCO2波长μmλ1—λ2Δλ(μm)波长μmλ1—λ2Δλ(μm)第一光带2.24～3.271.032.36～3.020.66第二光带4.8～8.53.74.01～4.80.79第三光带13～251313.5～16.54.0气体的辐射和吸收具有容积性ZHZWtransfers13.辐射换热13.6气体辐射气体辐射的特点Ag=f(Pg，Tg，S)固体和液体的辐射都是表面辐射，辐射和吸收在表面很薄一层进行，气体则是在整个容积中进行的。容器中任意地方的气体都能到达界面上，气体的吸收率与沿途碰到的气体分子数目有关，与射线的行程长度有关，还与气体的温度有关。当S→∞时，εgλ

=Agλ

=1，即黑体。气体的吸收定律ZHZWtransfers13.辐射换热13.6气体辐射εgλ=Agλ=1–e–kλs式中：εgλ：气体的单色发射率

Agλ：气体的单色吸收率

kλ

：单色减弱系数，单位距离内，辐射强度减弱的百分数。ZHZWtransfers13.辐射换热13.6气体辐射气体的发射率气体发射率：

εg=Eg/EbEg=εgEb=εgC0(Tg/100)4气