第十四章 辐射传热

传热学篇第十四章

辐射传热

本章讲解热辐射的基本概念与定律（普朗克、维恩、斯忒藩-玻尔兹曼、基尔霍夫），角系数的定义与计算，黑体与灰体间的辐射传热分析方法（辐射网络法），以及遮热板原理。14.1热辐射现象的基本概念

热辐射的本质和特点

电磁波谱：电磁波在真空中传播速度等于光速热辐射：物体由于热的原因使微观粒子受激或振动，而将部分热力学能转换成电磁波的形式向外发射能量的现象。

14.1热辐射现象的基本概念

热辐射的本质和特点

热射线（包含太阳辐射在内：0.1~100μm）：可见光:λ=0.38～0.76μm；部分紫外线:λ＜0.38μm；部分红外线:λ＞0.76μm注意：工程上，辐射物体温度一般在2000K以下，绝大部分能量

（>98%）集中在红外线区段（0.76～20μm）。14.1热辐射现象的基本概念

热辐射的本质和特点

辐射换热的特点：

（1）不需要存在任何形式的中间介质

辐射传热：当物体温度不同时，物体之间通过热射线的相互辐射和吸收，进行能量交换的现象。

（3）辐射传热量与两个物体热力学温度的四次方之差成正比。

导热量或对流传热量只与物体温度的一次方之差成正比

两个物体的温度差对于辐射换热量的影响更强烈。

（2）不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转化。14.1热辐射现象的基本概念

热辐射表面的一般性质G=Gα+Gρ+Gτ透射比τ吸收比α反射比β固体和液体气体：投入辐射G14.1热辐射现象的基本概念

几种假想物理模型:

黑体：α=1的物体煤烟、炭黑、粗糙的钢板等，吸收比α=0.9～0.95以上，近于黑体。白体：ρ=1的物体磨光的纯金反射比ρ≈0.98，近似于白体。透热体：τ=1的物体纯净的空气τ≈1，认为是透热体。

热辐射表面的一般性质14.1热辐射现象的基本概念

镜反射：物体表面平整光滑,反射角=入射角

漫反射：物体表面粗糙

反射向不同方向且在各个方向均匀分布

一般工程材料都形成漫反射热辐射表面的一般性质14.2热辐射的基本定律

斯忒藩一玻尔兹曼定律σb—黑体辐射常数；σb＝5.67×10－8W/（m2·K4）c0—黑体辐射系数；c0＝5.67W/（m2·K4）

黑体的辐射力与热力学温度的四次方成正比，故又称四次方定律

辐射力E：物体在单位时间内单位表面积向半球空间所有方向发射的全波长辐射能的总和，也称半球辐射力。W/m2

黑体辐射力：14.2热辐射的基本定律

普朗克定律

该定律揭示了黑体在不同温度下单色辐射力与波长的关系。

c1—普朗克第一常数,c1=3.743×10－16W·m2

c2—普朗克第二常数,c2=1.439×10－2m·K光谱辐射力Eλ

:物体在单位时间内单位表面积向半球空间所有方向发射的某一波长λ的辐射能，也称单色辐射力。W/m3。14.2热辐射的基本定律

普朗克定律

（3）黑体光谱辐射力的极值所对应的波长，随温度升高而变短，说明随温度升高所辐射的能量向短波区域集中。（4）太阳热辐射近似于5800K的黑体，主要热辐射集中在可见光范围内；如果物体低于800K，其热辐射主要集中在红外区域。（1）波长λ一定时，黑体光谱辐射力随温度的升高而增大。（2）温度一定时，黑体的光谱辐射力随波长的增加而“先增后减”,均有一波长使Ebλ最大，当λ很大或很小时，Ebλ均趋于零。14.2热辐射的基本定律

维恩位移定律揭示了出现

Ebλmax时对应的波长

max与温度T的关系：波段辐射力λ1-λ2之间的波段辐射14.2热辐射的基本定律

波段辐射力

黑体辐射函数：特定波段黑体辐射力与相同温度下全波段黑体辐

射力σT4的百分比。黑体辐射函数表特定波段的黑体辐射力：14.2热辐射的基本定律

实际物体的辐射特性——如何求实际物体的辐射力？

实际物体发射率：实际物体辐射力：发射率ε影响因素：物体的种类、表面温度和表面状况。发射率ε表征实际物体的辐射力（E）接近同温度下黑体的辐射力（Eb）的程度。14.2热辐射的基本定律

实际物体的辐射特性——如何求实际物体的辐射力？

光谱发射率：14.2热辐射的基本定律

实际物体的吸收特性

物体辐射换热热辐射的发射热辐射的吸收发射率与物体种类、温度和表面状况有关，与外界条件无关，是物性参数吸收物体本身的材料种类、温度及表面状况投入辐射的物体表面性质、温度和表面状况，对波长有选择性。投入辐射：单位时间从外界投入到物体的单位表面积上的辐射能，G(W/m2)发射辐射：E(W/m2)14.2热辐射的基本定律

实际物体的吸收特性

吸收比α：物体对投入辐射所吸收的百分数。光谱吸收比αλ：物体对投入的某一特定波长辐射能的吸收百分比，黑体α=αλ=1实际物体：α<1;αλ<1αλ=f（λ）14.2热辐射的基本定律

灰体

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，称为选择性吸收。

实际物体的选择性吸收使得计算十分复杂简化灰体14.2热辐射的基本定律

灰体

灰体：光谱吸收比αλ与波长无关的物体称为灰体。不管投入辐射的光谱分布如何，吸收比αλ都保持不变，都是一个常数。

与黑体类似，它也是一种假想的理想物体。对于大部分工程热辐射问题来讲，温度范围300～2000K之间，光谱能量主要在红外区域，灰体假设带来的误差是可以接受的。即对于大部分红外波段的工程热辐射问题，可以将物体视为灰体。14.2热辐射的基本定律

基尔霍夫定律揭示了实际物体辐射力E与吸收比α间的关系。

平壁间辐射传热的净热流密度

热平衡

T=Tb

q＝0基尔霍夫定律表达式表述：在热平衡条件下，任何物体的辐射力与它对黑体辐射的吸收比之比恒等于同温度下黑体的辐射力。14.2热辐射的基本定律

（1）辐射力大的物体对同温下黑体辐射能的吸收比也大。

善于辐射的物体也善于吸收同温度下黑体的辐射能。

（2）实际物体的辐射力E小于同温下黑体的辐射力Eb(因为实际物体α<1

)。

同一温度下黑体的辐射力最大。

（3）基尔霍夫定律的另一表达式：α（T）=ε（T）

表述：在与黑体处于热平衡的条件下，任何物体对黑体的吸收比等于同温下该物体的发射率。基尔霍夫定律——结论

14.2热辐射的基本定律

（4）光谱辐射：ελ（T）=αλ（T）

不需要附加其它条件。

（5）对于灰体：吸收比与外界条件无关，无论投入辐射是否来自黑体，无论是否处于热平衡，只与自身温度有关。所以灰体的吸收比恒等于同温度下本身的黑度。基尔霍夫定律——结论

14.3辐射传热的计算

角系数——定义

表面1发出的辐射能落到表面2上的百分数称为表面1对表面2的角系数，记为X1，2。

X1，2

发射辐射表面接受辐射表面（1）离开表面1的能量包含本身辐射及对外来投入辐射的反射辐射；（2）到达表面2上的份额只考虑落到表面2上的部分而不论

其是否吸收角系数概念的假定：①所研究的表面为漫射表面②表面的辐射热流密度均匀角系数的基本属性：纯几何因子，与表面的温度和发射率无关。14.3辐射传热的计算

角系数——性质（1）角系数的相对性两个黑体表面间的净辐射热流量

Φ1，2＝Eb1A1X1，2-Eb2A2X2，1

两表面热平衡时，Φ1,2=0，Eb1=Eb214.3辐射传热的计算

角系数——性质（2）角系数的完整性对于N个表面包围并形成一个封闭腔表面1为非凹表面（凸面或平面）：X1,1＝0表面1为凹表面：X1,1≠014.3辐射传热的计算

角系数——性质(2）角系数的可加性

14.3辐射传热的计算

角系数——计算上述每一种模型下如何计算角系数？14.3辐射传热的计算

两个漫灰表面间的辐射传热假设：（1）物体表面是不透明的漫射灰体（与方向无关，τ=0，ρ+α=1）；

（2）每一计算表面具有均匀的辐射特性（各点T、ε、ρ、J都是均匀的）；（3）表面间无参与辐射传热的介质（真空或透明介质如空气）。14.3辐射传热的计算

两个漫灰表面间的辐射传热

有效辐射J：物体本身辐射与反射辐射之和。

黑体：J=EbJ=E+ρG14.3辐射传热的计算

两个漫灰表面间的辐射传热——辐射网络法

（1）表面辐射热阻q＝J－Gα＝ε表面辐射热阻表面内部分析表面外部分析

辐射热驱动势差14.3辐射传热的计算

两个漫灰表面间的辐射传热——辐射网络法

黑体：ε=1大空间或环境：（可看作黑体）（1）表面辐射热阻表面辐射热阻影响因素：（1）表面性质ε；（2）表面面积A14.3辐射传热的计算

两个漫灰表面间的辐射传热——辐射网络法

（2）空间辐射热阻空间辐射热阻空间辐射热阻影响因素：表面尺寸、相对位置等空间参量，与表面的辐射特性无关14.3辐射传热的计算

两个漫灰表面组成的封闭腔的辐射传热

14.3辐射传热的计算

两个漫灰表面组成的封闭腔的辐射传热

14.3辐射传热的计算

(1)表面1为凸表面或平面时(X1,2=1):(2)两表面面积A1和A2相差很小，即A1/A₂≈1两个漫灰表面组成的封闭腔的辐射传热

14.3辐射传热