14级第5章 热辐射及辐射传热

1、热辐射在自然界是普遍存在的，在什么情况下必须要考虑辐射传热呢？ 物体温度较高时； 物体温度虽不高，但辐射传热量和其它方式传热量相比处于同一量级时。 本章将介绍辐射传热有关基本概念和定律，然后介绍辐射传热计算方法。 与导热和对流传热相比，本章概念和定律较多,第5章 热辐射及辐射传热,第5章 热辐射及辐射传热,5.1 热辐射的基本概念 5.2 黑体辐射的基本规律 5.4 实际物体辐射和吸收的基本规律 5.3 角系数与黑体表面间的辐射传热 5.5 灰体间辐射传热的计算,5.1 热辐射的基本概念,5.1.1 热辐射 5.1.2 辐射传热 5.1.3 辐射力和辐射强度 5.1.4 理想辐射体,返回,5.

2、1.1 热辐射一、辐射和热辐射,辐射物体向外界以电磁波的方式传递能量的现象 所辐射电磁波所携带的能量，称为辐射能 热辐射：由于物体内部微观粒子热运动状态的改变而将部分内能转化成电磁波而发射出去的过程；或者说，辐射能是由与温度有关的内能转化而来的 能够发射热辐射是自然界中物体的特性之一 辐射类型有多种，在传热学中只研究热辐射,电磁波通常是以波长或频率来识别的。电磁波的波长范围称为电磁波谱。电磁波波长不同，特性不同，名称也不同,二、电磁波谱,理论上说，热辐射的电磁波波长可以包括整个波谱，但其能量随波长分布与物体温度有关 工业温度范围（2000K）内，有实际意义的热辐射位于0.8100m之间，且大部

3、分能量集中在红外区段0.7620m范围内，可见光区域（ 0.380.76m ）所占比重不大 太阳辐射（温度约为5800K）能量集中在0.22m的波长范围，其中可见光区段占很大比重 热射线：一般将波长介于为0.1100m的电磁波称为热射线，包括部分紫外线、全部可见光和红外线,返回,辐射传热不同温度的物体之间由于相互进行热辐射而产生的热量传递现象称为辐射传热 热辐射是物体单向的特性，而辐射传热是不同物体间相互作用的净结果 辐射传热特点： （1）物体间不需要其他介质存在，真空中效率最高 （2）伴随着能量形式的转换：内能辐射能内能,5.1.2 辐射传热,影响辐射传热的因素,表面发射辐射能的能力 黑体、

4、实际物体、灰体的辐射力及发射率 表面吸收辐射能的能力 黑体、实际物体、灰体的吸收比 表面之间相对几何关系 角系数,返回,5.1.3 辐射力和辐射强度,物体由于热辐射向外界（半球空间）发射的电磁波按波长分布和空间方向分布都是不均匀的，因此需要引入相关概念来表示这些特点 光谱辐射力反映电磁波能量随波长的变化规律 定向辐射强度反映电磁波能量随空间方向的变化规律,一、光谱辐射力与辐射力,光谱辐射力在单位时间内、物体单位表面积向其上半球空间各方向发射的、包含某一特定波长的单位波长范围内的能量,辐射力在单位时间内、物体单位表面积向其上半球空间各方向发射的全部波长范围内的能量,定向辐射强度单位时间内，单位可

5、见辐射面积向空间某一方向的单位立体角内发出的全部波长的总辐射能（发射反射）。单位是W/(m2.sr),二、定向辐射强度（了解即可）定向辐射强度衡量发射辐射在空间上的差别,三、漫射表面,漫发射表面能够向半球空间各方向以均匀定向辐射强度发射辐射能的物体表面，I常数,漫反射表面无论投射辐射来自何方，物体在半球空间各方向上都有均匀的反射辐射强度的物体表面 当物体表面非常光滑（相对投射辐射波长而言）时，反射为镜面反射。 一般工程表面均可视为为漫反射，本书如不特别指明，均认为表面为漫反射表面。,镜面反射,漫射表面既是漫发射表面，又是漫反射表面的物体表面称为漫射表面，漫射表面的发射与反射与空间方位无关，均为

6、“等强度”。,漫射表面的概念对热辐射非常重要。漫射表面可不必考虑热辐射的方向性。 在工程中，除了经过特殊处理的金属表面外，绝大部分工程材料都可看作是漫射表面,返回,5.1.4 理想辐射体,投射辐射单位时间内从外界其他物体投射到物体单位面积上的各种波长辐射能量的总和称为投射辐射，用G表示，单位Wm2,物体对投射辐射的反应：吸收、反射和穿透,根据能量守恒,反射比,吸收比,透射比,如果投入辐射中属于某一波长的辐射能为G，其中被物体吸收、反射和透射的部分分别为G、G和G，所占的份额分别为,光谱吸收比 光谱反射比 光谱透射比,显然有：,说明1：对固体和液体辐射能一般是不能透过的 因为辐射能进入固体和液体

7、表面后，在极短的距离内就被吸收完。对金属导体，这个距离只有1m的数量级，对于大多数的非导电材料，这个距离也小于1mm,可以认为，固体和液体对投射辐射的反射和吸收都是在表面进行的，与物体厚度无关。故影响固体和液体反射和吸收的主要是物体的表面性质，与物体空间性质无关。,说明2：气体对投射辐射几乎没有反射能力,气体的吸收和透射与表面状况无关，是在整个气体容积上进行的，具有体积效应,本书仅介绍不透明固体之间的辐射传热，无论其自身发射辐射能，还是对投射辐射的吸收及反射都是在固体表面上进行的。故物体之间的辐射传热与物体表面之间的辐射传热是等价的。,几个理想物体（实际自然界不存在）,的物体称为黑体,的物体称

8、为透明体,的物体称为白体或镜体,黑体在辐射传热分析研究中具有重要的作用，它既是吸收能力最强的物体，也是同温度下辐射能力最强的物体,返回,5.2 黑体辐射的基本规律,5.2.1 黑体模型（人工黑体） 5.2.2 黑体辐射的基本规律,返回,5.2.1 黑体模型（人工黑体）,黑体的吸收特性 黑体的吸收比 = 1，因此，黑体具有最大的吸收能力，对各种波长的投射辐射均全部吸收 自然界中并不存在真正意义上的黑体 ，但我们可以人为构造一个非常接近黑体的模型，称人工黑体,人工黑体模型,人工黑体带小孔的、壁面温度均匀的空腔 当辐射能从小孔进入空腔时，经过多次吸收和反射，使得最终能够通过小孔离开的能量近乎于零 空

9、腔上的小孔可视为具有空腔表面温度的黑体表面,小孔面积与空腔内表面积之比越小，小孔就越接近于黑体。例如：若小孔面积占空腔内壁的总面积的0.6%时，在内壁面吸收比为0.6的情况下，小孔的能量吸收（表观吸收比）可达0.996 白天的窗户可近似看为黑体 对黑体表面，以后本书中在其有关物理量符号下加下标“b”来区分,返回,5.2.2 黑体辐射的基本规律,一、Planck定律 二、Stefan-Boltzmann定律 三、黑体辐射函数（了解） 四、Lambert定律（不讲）,返回,一、Planck定律,目的：揭示了温度为T的黑体表面，其光谱辐射力随波长的变化规律 光谱辐射力：物体在单位时间内、单位表面积向

10、其周围半球空间各个方向发射的某一特定波长的能量,光谱辐射力与全辐射力的关系：,式中， 波长，m ； T 黑体温度，K ； c1 第一辐射常数，3.74210-16 Wm2； c2 第二辐射常数，1.438810-2 WK； （该公式及其中常数不用记）,Planck定律(1901年)：,黑体光谱辐射特性分析,（1）给定T的黑体表面，其光谱辐射力随波长变化是光滑连续的，且趋于0和时，光谱辐射力均趋于0 （2）对给定波长，则黑体表面温度越高，其光谱辐射能力越大 （3）对给定T的黑体表面，存在某一波长，其光谱辐射力有最大值 （4）温度T的黑体，其对应最大光谱辐射力的波长为：,特性(4)也称维恩位移定律

11、，是维恩在1896年用经典热力学方法得出的。 维恩位移定律可以解释为何温度高的物体看起来较亮以及温室效应等物理现象 当铁块温度低于800K时，所发射的热辐射主要是红外线，看起来还是暗黑色的。随着温度的升高，铁块的颜色逐渐变明亮 玻璃或塑料薄膜对短波透过率很大，对长波则透过率很小,返回,二、Stefan-Boltzmann定律,b=5.6710-8 W/(m2.K4)斯蒂芬-玻尔兹曼常数，黑体辐射常数。一定要记住！ 黑体的辐射力与绝对温度的四次方成正比，故又称四次方定律。该定律解决了黑体辐射力的计算问题 1879年斯蒂芬依靠实验、1884年玻尔兹曼由热力学方法推导，先于Planck定律,计算中的

12、实用形式：,Cb=5.67黑体辐射系数,返回,三、波段辐射力和黑体辐射函数（了解）,工程上有时我们需要知道黑体表面发射的全部波长电磁波中某一波段范围内电磁波的能量多少，引入了波段辐射力的概念 定义：黑体在某一波段范围内发射辐射能的能力称为波段辐射力,波段辐射力可以通过对Planck定律直接积分得到，工程上为了应用方便，引入了黑体辐射函数，并整理成表，可供查取,黑体辐射函数为某一温度下0- 波段内电磁波能量占该温度黑体表面辐射力的份额 ，用Fb(0- ),黑体辐射函数是T 的单值函数，并被制成表格查阅，称为黑体辐射函数表,波段辐射力的计算,例题5-1：试分别计算温度为2000K、2900K和58

13、00K的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长以及可见光和红外辐射所占的份额 2000K内为本书所指的工程温度范围 2900K为白炽灯灯丝的温度 5800K为太阳表面的温度,三种情况的计算结果：,结论： 太阳辐射中可见光能量份额较高 白炽灯的照明效率较低 工程温度范围内物体的辐射能主要为红外线，可见光很少,返回,黑体的辐射特性： 光谱辐射力按波长分布满足Planck定律，辐射力满足Stefan-Boltzmann定律 定向辐射强度满足Lambert定律，即为漫发射表面 黑体的吸收特性： 吸收比为1，即无条件全吸收 实际物体的辐射和吸收特性 光谱辐射力按波长分布不满足Planck定律 定向辐射强度近似

14、满足Lambert定律，即仍作为漫发射表面 实际物体的吸收特性 吸收比影响因素非常复杂，需要简化,5.4 实际物体辐射和吸收的基本规律,（只要求掌握固体表面部分，气体不要求） 5.4.1 实际表面的辐射特性 5.4.2 实际表面的吸收特性 5.4.4 灰体 5.4.5 基尔霍夫定律,返回,1、实际表面辐射的光谱特性,黑体辐射的波长特性Planck定律，实际表面可由实验测得， 分别表示如下（相同温度）：,5.4.1 实际表面的辐射特性,实际物体辐射特性分析： 定性规律上类似于普朗克定律 同温度时，实际物体光谱辐射力小于对应波长的黑体光谱辐射力 给定温度下，实际表面光谱辐射力随波长的变化规律曲线连

15、续但不光滑,光谱发射率（单色黑度）,定义：实际物体的光谱辐射力与相同温度下、相同波长黑体的光谱辐射力之比,实际物体的光谱辐射力,实际物体光谱发射率特点：光谱发射率小于1且不为常数,影响实际物体光谱发射率因素,表面状况包括表面粗糙度、氧化程度及颜色等 我们计算时关注的是发射率，指物体发射全部波长电磁波能力与同温度下黑体的对比,2、实际物体的发射率和辐射力,实际物体的发射率（黑度）,由于光谱发射率与波长有关，故光谱发射率不能提出 实际物体发射率和光谱发射率均为小于1的正数 发射率反映了实际物体发射辐射能的能力接近同温度下黑体的程度，为实际物体辐射力计算提供了比较的标准,实际物体辐射力计算,实际物体

16、发射率不能由公式得出，而为一物性参数。查附录15表得到，有时标为法向发射率。 严格来说，实际物体发射率不与温度四次方成正比，但为了方便仍认为成立，把偏差归到发射率中，因此发射率都是温度的函数,影响实际物体发射率的因素（了解）,表面温度 物体表面温度影响规律比较复杂 材料种类 一般来说，金属发射率较小，而非金属发射率较大。 非金属材料的表面状况（包括颜色）对发射率的影响不大，缺乏资料时，可近似取作0.75-0.95 表面状况 金属表面的粗糙化和氧化层的形成，将使黑度明显增加；非金属受表面状况影响较小,返回,5.4.2 实际表面的吸收特性,光谱吸收比实际物体对某一特定波长的辐射能吸收的份额,实际物

17、体的光谱吸收比与波长关系如右图所示,实际物体光谱吸收比特点： 光谱吸收比小于1且不为常数 影响实际物体光谱吸收比因素：,表面状况包括表面粗糙度、氧化程度及颜色等 物体光谱吸收比与投入辐射波长有关称为物体的吸收具有选择性。 实际表面对投入辐射的吸收具有波长选择性造成了自然界的“绚丽多彩” 在生活和生产实际中也有应用，如夏天戴的墨镜、电焊工用的护目镜就是利用了这一特性,我们计算时关注的是吸收比，指物体对全波长范围内对投射辐射的吸收能力 （总）吸收比表面对全部波长范围内的投射辐射的吸收率，记为,影响实际物体吸收比的因素 （1）吸收表面自身情况：包括吸收表面的温度、表面状况（如材料种类颜色、粗糙度、氧

18、化情况等） （2）投射辐射的来源情况：投射辐射的波长构成，而这又与投射辐射源的温度、表面状况、方位等有关 实际物体的吸收比与投射辐射的波长构成有关，使得实际物体的吸收比不是自身物性参数，从而大大增加了问题研究的困难,说明：,投射辐射波长不同，表面颜色对物体吸收能力的影响也不同 （1）对太阳辐射来说，物体表面的颜色影响物体吸收的重要因素 白漆的吸收比为0.12，黑漆的吸收比为0.96 思考：夏天为何穿白颜色的衣服？冷库的外面一般采用什么颜色？ （2）对红外辐射而言，表面颜色对吸收的影响很小 白漆和黑漆的吸收比几乎相同0.9 雪对红外辐射的吸收比可达到0.98,返回,5.4.4 灰体,灰体是人为引

19、入的一种理想物体，其光谱吸收比与波长无关,灰体的吸收特性： 1、光谱吸收比与波长无关 2、吸收比等于光谱吸收比，与投射辐射波长构成无关 3、灰体的吸收比只是自身表面物理性质，与外界环境无关。 灰体的辐射特性也相比实际物体有很大简化,问题 灰体表面是一个理想化的表面，那么，什么样表面可以近似看成是灰体表面来处理呢？,在一般的辐射换热计算所涉及到的工业高温范围以内(T=2000K)，绝大部分物体的辐射能量都位于红外波段，而大多数工程材料在红外波段中的光谱吸收比基本上等于常数，因此可看作是灰体处理 当物体与太阳辐射传热时，物体不能作为灰体处理,本课程研究对象,不透明灰体漫射表面,返回,5.4.5 基

20、尔霍夫定律,问题： 前面提到黑体吸收比最大，其发射率也最大。如何得出的？ 实际物体的吸收比和发射比之间有何关系？ 灰体的吸收比和发射比之间有何关系？ 基尔霍夫定律解决了这些疑问,定律证明,对单位面积，板2净损失的能量q2为,板1是黑体,板2是实际物体,如两板处于热力学平衡状态,基尔霍夫定律,当实际物体与黑体处于热平衡状态时，有：,基尔霍夫定律的表述,热平衡条件下，物体的辐射力与其对黑体投射辐射的吸收比的比值等于相同温度下黑体的辐射力,或： 当实际物体与黑体处于热平衡状态时，物体的发射率（黑度）等于它的吸收比,前述基尔霍夫定律的两个前提条件：,（1）两个物体必须处于热平衡条件 （2）实际物体接收

21、的投射辐射必须来自黑体 这两个条件非常苛刻。如满足这两个条件，基尔霍夫定律几乎毫无用处。 什么情况这两个条件可以去掉，而定律仍然成立呢？,对漫射灰体表面，基尔霍夫定律可以去掉热平衡和投射辐射来自黑体这两个条件而仍然成立,首先，按灰体的定义其吸收比与波长无关，在一定温度下为常数，不再与环境有关 其次，物体的发射率是物性参数，与环境条件无关，自身温度一定时为常数 因此，这两个常数均只和自身有关，与其它物体是否为黑体，是否与它处于热平衡状态无关,对漫射实际表面的光谱发射率和光谱吸收比，重复上述推导过程可以得到针对某一波长的基尔霍夫定律,此时，如果投射辐射不是来自黑体、系统也不处于热平衡，结论仍成立,

22、这个结论非常重要，告诉我们如何获得灰体表面吸收比的方法：一般发射率可以查物性表得到，如果满足灰体假设，则吸收比可以直接得到,对漫射灰体表面，根据灰体定义和基尔霍夫定律有：,上式说明不但灰体的光谱吸收比为常数，其光谱发射率也为常数，即灰体光谱发射率与波长关系曲线也连续且光滑,返回,黑体及灰体表面的辐射特性及吸收特性均已学过，还需要知道表面之间的相对几何关系对辐射传热的影响 角系数就是反映两个表面之间相对几何关系对两表面之间辐射传热影响的一个纯几何参数,5.3 角系数与黑体表面间的辐射传热,5.3.1 角系数 5.3.2 角系数的性质及计算 5.3.3 黑体表面间的辐射传热(自己看),返回,5.3

23、.1 角系数,任意放置的两物体表面: 面积A1、A2 温度T1、T2 两表面上的发射率和吸收比都是均匀的,计算两个表面之间的辐射传热量需要知道从每个面离开的辐射能有多少能落到另一个表面上。 引入角系数来解决这个问题,角系数定义,角系数：离开表面1的辐射能中落到另一表面2上的份额，称为表面1对表面2的角系数。以X1,2表示,类似，可定义X2,1，一般两者并不相同,X2,1的值介于0-1之间。 注意： 表面可以是平面，也可是曲面； 离开表面的辐射能包括自身辐射和反射辐射； 分子是落到另一面上的辐射能，不必是吸收,说明:,对表面温度、发射率、吸收比均匀的漫射表面，X仅与两表面的形状、大小、距离和相对

24、位置有关，与表面性质、温度大小等无关，因此是一纯几何系数。 在本书中，漫射表面的假设总认为是满足的，因此确定单个表面的原则：表面温度、发射率、吸收比均匀,返回,5.3.2 角系数的性质及计算,一、角系数的性质（三个性质） （1）互换性（相对性）,角系数的互换性可以对两个黑体表面计算辐射传热量，然后根据热平衡条件得到。 适用于任意性质的表面（角系数是纯几何系数）,任何物体都与其它所有参与辐射换热的物体构成一个封闭空腔，表面发出的辐射能百分之百地落在封闭空腔的各个表面之上 注意：对凹的表面，其对自身的角系数Xi,i不为0。,（2）完整性,（3）可加性 （分解性）,下式是否成立？,但考虑各自面积后，

25、可得到一反映该三个角系数之间关系的等式,实质上是辐射能的可加性,另外，根据几何关系对称来确定一些角系数之间的关系在计算角系数时也是经常用到的 如在圆筒内，两个底面对侧面的角系数相等,二、角系数的计算,角系数的确定方法有多种： 按定义直接得出 直接积分法 查曲线图法 代数法,（1 ）按定义直接得出,有些简单情况可以直接根据定义得到角系数数值 a、平行放置、相距很近的两个大平板 （忽略边缘效应）,b、两个互相看不见的表面x1,2=x2,1=0,c、凸表面1被另一凹表面2包围（如：一个凸面物体置于另一个球壳之内、长同（偏）心套筒的内筒外表面和外筒内表面之间 ）,d、一非凹表面与另一表面之间构成的封闭

26、系统与b情况类似,（2）直接积分法 按角系数定义通过求解多重积分而获得角系数的方法,四重积分，数学上存在困难，故一般不用,（3）查曲线图法（了解） 为便于工程应用，已将大量几何结构的角系 数求解结果绘制成曲线 注意曲线适用的几何形状上的特点和要求 更多角系数曲线图可查阅传热学手册、辐射传热手册,书中也给出了两同轴平行圆筒间的角系数（圆筒是有限长的）,（4）代数分析法 利用角系数定义及性质, 通过代数运算确定角系数 所利用的角系数性质：互换性、完整性 两种可用代数分析法的典型情况：,两互见非凹表面,由三个非凹表面组成的封闭系统,a 由三个非凹表面组成的封闭系统 （在垂直于纸面方向上为无限长，忽略

27、端部效应）,对非凹表面：,根据角系数的完整性,根据角系数的互换性,6个方程，6个角系数，方程组可求得唯一解解,b 两互见非凹表面（在垂直于纸面方向无限长）,作辅助面ac、bd，由完整性,作辅助面bc构造封闭空腔abc,作辅助面ad构造封闭空腔abd,这种确定角系数的方法称为交叉线法,例题：试确定图中表面1对表面2的角系数。 求 X1.2 根据可加性,由相对性知,先查,返回,5.3.3 黑体表面间辐射传热的计算,自己看一下，后面学完灰体表面间的辐射传热计算方法后，很容易掌握黑体表面间辐射传热计算 例题5-2,例题5-3 自己课后看,返回,辐射传热计算的基本假设,1、不透明漫射灰体表面 2、表面上

28、的温度均匀分布，表面物性参数为常数 3、表面间充满了不参与辐射的透明介质 4、辐射传热过程是稳态的（高温物体接热源，低温物体接冷源）,计算有灰体表面参与的辐射传热时，所有参与辐射传热表面必须要组成封闭系统 对纯黑体表面之间辐射传热，可以不构成封闭系统,5.5 灰体间辐射传热的计算,5.5.1 有效辐射 5.5.2 表面热阻和空间热阻(合并到6.5.3) 5.5.3 两个灰体表面间的辐射传热 5.5.4 多个灰体间辐射传热的计算（不讲） 5.5.5 遮热板 例题讲解,返回,灰体表面间辐射传热的困难在于灰体表面的吸收比不等于1，因而存在灰体表面间的“多次反射、多次吸收”现象 多次反射、多次吸收大大

29、增加了灰体间辐射换热计算复杂性,5.5.1 有效辐射,一、有效辐射,定义：单位时间内离开单位表面积的总辐射能。记为J，单位为W/m2 灰体有效辐射包括两部分： 表面自身的辐射能 投入辐射中被表面反射的部分能量,有效辐射是在灰体表面外用测试仪表测量到的能量，表示的是离开灰体表面的辐射能总效应。但作为测量者本身无法辨哪一部分能量是本身辐射哪一部分是反射辐射,二、投入辐射,定义：单位时间内投射到单位表面积上的辐射能，记为G，单位为W/m2 投入辐射包括物体周围的各物体发射的辐射能落到其表面上的部分，也包括自身发出的辐射能被其他物体反射后落回到该表面的部分 投入辐射表示的是落到灰体表面上的辐射能总效应

30、。,三、有效辐射和投射辐射间的关系,黑体：有效辐射等于其本身的辐射力,返回,5.5.3 两个灰体表面间的辐射传热,有关变量约定 一、用有效辐射表示的辐射传热量 二、有效辐射的确定 三、两个灰体表面封闭系统辐射传热 四、辐射传热计算的网络图法及辐射热阻 五、几种特殊情况下两表面间辐射传热,返回,有关变量约定,如图所示由两个任意灰体表面构成的封闭系统，计算两个灰体表面之间的辐射传热量 定义三个热量：,分别为面1向面2的辐射传热量、面1净失去的热量和面2净失去的热量 后两个量以净失去热量为正，如得到热量则为负 在两表面封闭系统中有：（多表面系统一般不成立）,返回,一、用有效辐射表示的辐射传热量,做出两表面的分界面 在分界面上分析两表面的辐射传热量，有：,因此计算辐射传热量的关键就是要求出两个面的有效辐射或列出关于有效辐射的方程,返回,从表面外部a-a来观察：,从表面内部b-b观察：,消去G后得到,二、有效辐射的确定,对灰体表面的能量流进行分析,返回,对每一灰体表面而言：,对两个表面之间而言：,三个热量之间满足关系：,三、两个灰体表面封闭系统辐射传热量,三式联立消去J1、J2可得：, 辐射传热量得出后，各表面的失热量、有效辐射及投入辐射等量也能容易得出 上述公式的适用条件： （1）漫灰表面；（2）两个表面构成的封闭系统 该公式要会熟练应用,返回