1、13-3 辐射传热辐射传热 Radiation Heat Transfer2l物体以物体以电磁波电磁波的方式向外的方式向外传递能量传递能量的过程。的过程。辐射传热的定义辐射传热的定义3热射线热射线-被物体吸收后转变为热能的电磁波；被物体吸收后转变为热能的电磁波；热射线波长为热射线波长为0.4 1000 m ，包括：，包括：可见光：可见光：0.4 0.76 m（紫（紫-红）红） 红外线：红外线：0.76 1000 m（近红外：（近红外：0.76 25 m； 远红外：远红外：25 1000 m )4l（1）能量转换：能量转换：内能内能辐射能辐射能辐射能辐射能内能内能 A物体（发射）物体（发射） B
2、物体（吸收）物体（吸收）l（2）凡）凡T0K的物体均具有将其本身的能量以电磁波的方的物体均具有将其本身的能量以电磁波的方式辐射出去，同时有接受电磁波的能力，式辐射出去，同时有接受电磁波的能力，其净结果热量高其净结果热量高低；低；l（3）热辐射可以在真空中传播，无需任何介质；热辐射可以在真空中传播，无需任何介质；l（4）热射线的传播具有与光同样特性，具有反射、折射和）热射线的传播具有与光同样特性，具有反射、折射和吸收的特性；吸收的特性； 能在均一介质中作直线传播。能在均一介质中作直线传播。辐射传热的特点辐射传热的特点5l吸收率：吸收率：A = QA/Q0；l反射反射率率：R = QR/Q0；l透
3、射透射率率：D = QD/Q0； A + R + D = 1Q0QRQDQAQ0 = QA + QR + QD(吸收吸收) (反射反射) (透射透射)（投射）（投射）吸收、反射和透过吸收、反射和透过6（绝对）黑体（绝对）黑体A=1，R=D=0（绝对）透热体（绝对）透热体D=1，A=R=0（绝对）白体（绝对）白体R=1，A=D=0理想物体模型理想物体模型7自然界中自然界中并不存在（绝对）黑体、（绝对）白体、并不存在（绝对）黑体、（绝对）白体、（绝对）透热体。（绝对）透热体。固体、固体、液体液体：D 0，A + R = 1气体：气体：CO2、H2O、SO2、烟气：、烟气：R 0，A + D = 1
4、H2、N2、O2、Ar、干空气：、干空气：D 1，R 0，A 08注意：注意：l“黑黑”，“白白”之分不据颜色（之分不据颜色（可见光）可见光），而是热射线。而是热射线。雪（白漆）：雪（白漆）：A 0.98，近似黑体，近似黑体黑光金属：黑光金属：R=0.97，近似白体，近似白体l 一般，物体表面愈粗糙，愈近于一般，物体表面愈粗糙，愈近于“黑体黑体”。l在相同温度下，黑体的辐射最强，规律性也最强。在相同温度下，黑体的辐射最强，规律性也最强。l（黑体模型）（黑体模型）9QQD 0QR 0在空心体的壁面上所开的小孔具有黑体的性质，在空心体的壁面上所开的小孔具有黑体的性质，热射线在射热射线在射入腔膛后，
5、经过多次反射、吸收后，几乎全部被吸收。入腔膛后，经过多次反射、吸收后，几乎全部被吸收。小孔愈小，愈接近于黑体。小孔愈小，愈接近于黑体。黑体模型黑体模型101 辐射传热的基本定律辐射传热的基本定律l1.1 普朗克（普朗克（Plamck）辐射定律）辐射定律l1.2 维恩偏移定律维恩偏移定律l1.3 斯蒂芬斯蒂芬波尔茨曼定律波尔茨曼定律(Stefan-Boltzmann) l1.4 克希霍夫（克希霍夫（Kirchhoff）定律）定律111.1 普朗克（普朗克（Planck）辐射定律）辐射定律M.（Max Planck 18581947）伟大的德国物理学家，量子论的奠基人。伟大的德国物理学家，量子论的
6、奠基人。 描述黑体的单色辐射能力描述黑体的单色辐射能力, 揭示了黑体辐射能力按照波长的分配规律。揭示了黑体辐射能力按照波长的分配规律。12（1 1）辐射能力和辐射强度）辐射能力和辐射强度 辐射能力辐射能力（全辐射（全辐射能力）能力）符号：符号：“E” 单位：单位：W/m2黑体：黑体：E0一定温度下，单位时间，单位一定温度下，单位时间，单位面积上，物体所能发射出的全面积上，物体所能发射出的全部波长的总能量。部波长的总能量。辐射强度辐射强度（单色辐（单色辐射能力）射能力）一定温度下，单位时间，单一定温度下，单位时间，单位面积上，物体发射的某一位面积上，物体发射的某一波长的总能量。波长的总能量。符号
7、：符号：“E”单位：单位：W/m3黑体：黑体： E0dEEddEE013（2）普朗克辐射定律普朗克辐射定律 E0 ，1010，W/m3 ， m25310 W/m 1cTcEe000dEE黑体的发射能力黑体的发射能力 E0：14对对E0曲线的讨论：曲线的讨论：l（1）在某一温度下，黑体辐射能力随波长而变化：）在某一温度下，黑体辐射能力随波长而变化： ，E0；达到最高值后，；达到最高值后， E0。l（2）某一波长的单色辐射能力随温度升高而增大；）某一波长的单色辐射能力随温度升高而增大；l（3）温度愈高，最大辐射强度的波长愈短；）温度愈高，最大辐射强度的波长愈短；l（4）温度）温度2000K，辐射波
8、长大部分在，辐射波长大部分在0.7610m的范围的范围内，可见光比例相当小，可以忽略。内，可见光比例相当小，可以忽略。随温度升高，可见光比例在不断增加，亮度逐渐增加，依随温度升高，可见光比例在不断增加，亮度逐渐增加，依次出现红、橙、黄、白次出现红、橙、黄、白 。 窑炉内常根据物料的颜色和亮度判断其温度。窑炉内常根据物料的颜色和亮度判断其温度。15灰体：灰体：能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体。能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体。其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。个相同的比例。灰体是一个理想的概念
9、，自然界中并不存在灰体。灰体是一个理想的概念，自然界中并不存在灰体。理想灰体与黑体在同一温度下单色辐射力关系：理想灰体与黑体在同一温度下单色辐射力关系：大多数工程材料对于波长在大多数工程材料对于波长在0.7620um内的辐射能力，内的辐射能力，其吸收率随波长变化不大，其吸收率随波长变化不大，视为灰体。视为灰体。161.2 维恩偏移定律维恩偏移定律Wiens displacement Law对普朗克定律求导，并令其等于对普朗克定律求导，并令其等于0，即可求出极大值，即可求出极大值E0 max和和 max。T max=2896（ mk）T ，最大单色辐射能力向短波长方向移动。，最大单色辐射能力向短
10、波长方向移动。确定了最大辐射强度的波长与绝对温度的关系。确定了最大辐射强度的波长与绝对温度的关系。1718依据维恩偏移定律，可以根据依据维恩偏移定律，可以根据 max判断黑体表面的温度。判断黑体表面的温度。 (1)太阳表面的温度太阳表面的温度T 5800 K?(2) 红外保暖内衣？红外保暖内衣？（1）测得太阳光谱的测得太阳光谱的 max= 0.5 m， 则：则： T = 2896/0.5 = 5792 K 5800 K（2） 人的体温人的体温37C，（，（T=273+37=310K） 则：则： max= 2896/310 9.34 m191.3 斯蒂芬斯蒂芬波尔茨曼定律波尔茨曼定律(Stefa
11、n-Boltzmann) 400)100(TCE 确定了黑体辐射力确定了黑体辐射力E0随温度随温度T变化的关系。变化的关系。式中：式中： C0黑体的辐射系数，黑体的辐射系数，5.669W/ m2K4 T黑体的热力学温度，黑体的热力学温度，K（W/m2） 四次方定律不仅指出了黑体只要绝对温度不为零就具有四次方定律不仅指出了黑体只要绝对温度不为零就具有辐射能力，还表明了高温和低温辐射能力的显著差异。辐射能力，还表明了高温和低温辐射能力的显著差异。20物体的黑度：物体的黑度：0EE物体辐射能力与同温度下黑体辐射能物体辐射能力与同温度下黑体辐射能力的比值。力的比值。反映灰体接近黑体的程度，反映灰体接近
12、黑体的程度，值由实值由实验测定。验测定。4400)100()100(TCTCEE黑度黑度= E/E0灰体辐射能力灰体辐射能力211.4 克希霍夫（克希霍夫（Kirchhoff）定律）定律确定了任意物体的辐射能力确定了任意物体的辐射能力E与吸收率与吸收率A之间的关系。之间的关系。110qEAE110qEAE22克希霍夫定律：克希霍夫定律：任何物体的辐射力与其吸收率之比，恒任何物体的辐射力与其吸收率之比，恒等于同温度下黑体的辐射力，且只与温度有关。等于同温度下黑体的辐射力，且只与温度有关。)(0332211TfEAEAEAE l物体的吸收率越大，其发射能力也越强，也就是善于吸物体的吸收率越大，其发
13、射能力也越强，也就是善于吸收的物体必然善于发射。收的物体必然善于发射。l在所有物体中，黑体的辐射能力最强。在所有物体中，黑体的辐射能力最强。 23iiiEEAEEAEEA020221011A=克希霍夫恒等式克希霍夫恒等式在热平衡条件下，任何物体对黑体辐射的在热平衡条件下，任何物体对黑体辐射的吸收率等于同温度下该物体的黑度。吸收率等于同温度下该物体的黑度。24l1.普朗克定律：物体的辐射能力普朗克定律：物体的辐射能力E与波长的关系与波长的关系l2. 斯蒂芬斯蒂芬-波尔茨曼定律：黑体辐总射能力与绝对温度的波尔茨曼定律：黑体辐总射能力与绝对温度的关系关系l3. 克希霍夫定律：任意物体的辐射能力与它的
14、吸收率之间克希霍夫定律：任意物体的辐射能力与它的吸收率之间的关系的关系l4. 物体的黑度物体的黑度 ：反映灰体接近于黑体的程度：反映灰体接近于黑体的程度, 可比较灰体可比较灰体间辐射能力的大小间辐射能力的大小小结小结252.1角系数角系数一个物体的辐射热量落到另一个物体上的百分数。一个物体的辐射热量落到另一个物体上的百分数。热辐射的发射和吸收均具有空间方向特性，热辐射的发射和吸收均具有空间方向特性，表面间的辐射换热与表面几何形状、大小和各表面的相对表面间的辐射换热与表面几何形状、大小和各表面的相对位置等均有关系。位置等均有关系。2 固体间的辐射传热固体间的辐射传热 A1A226平面平面A1对对
15、A2的角系数：的角系数：平面平面1发出的辐射能中落到平面发出的辐射能中落到平面2上的百分数上的百分数辐射出去的总热量从的热量投射到从12112AAA平面平面A2对对A1的角系数：的角系数：平面平面2发出的辐射能中落到平面发出的辐射能中落到平面1上的百分数上的百分数辐射出去的总热量从上的热量投射到从21221AAAA1A227（1 1）角系数的性质）角系数的性质 212121AA互变性互变性 1111312121111311211111131211 nnnQQQQQQQQQQQQQ完整性完整性 A1A228一个物体表面辐射出去一个物体表面辐射出去的热量可能投向自身表的热量可能投向自身表面的百分数
16、。面的百分数。平面和凸面：平面和凸面： 凹面：凹面：自见性自见性11011029透热体透热体兼顾性兼顾性1312不透热不透热体体13013030（2 2）常见的几种角系数值）常见的几种角系数值 A A、两个无限大的平行平面、两个无限大的平行平面12112B B、一个平面、一个平面1 1和一个曲面和一个曲面2 2组成的封闭体系组成的封闭体系1122121AAA1A2A1A231C C、一个物体、一个物体1 1被另一个物体被另一个物体2 2包围包围1122121AAD D、两个曲面组成的封闭体系、两个曲面组成的封闭体系21212AAA21121AAAA1A2A1A2A3322.2 两个黑体间的辐射
17、传热两个黑体间的辐射传热表面积：表面积：A1和和A2表面温度：表面温度：T1和和T2角系数：角系数： 12 、 2101121EA02212EA33010201021212121211EEEEQAA444412121201210212()() ()() 100100100100TTTTQCACA120112102212QEAEA因为两个表面都是黑体，所以落到上面的能量被全部吸收，因为两个表面都是黑体，所以落到上面的能量被全部吸收，则两个表面之间的净辐射传热量则两个表面之间的净辐射传热量Q12为：为：34E01E021211A黑体辐射传热的电热网络图黑体辐射传热的电热网络图空间热阻空间热阻l一个
18、物体辐射出去的热量，只有一部分是落到另一物体一个物体辐射出去的热量，只有一部分是落到另一物体上，可看作两物体之间存在着辐射热阻。上，可看作两物体之间存在着辐射热阻。l与物体的性质无关，只取决于物体间的几何关系。与物体的性质无关，只取决于物体间的几何关系。l两物体间角系数愈小，空间热阻愈大。两物体间角系数愈小，空间热阻愈大。35导来黑度导来黑度:两灰体表面间反复辐射换热计算式两灰体表面间反复辐射换热计算式: : 2.3灰体间的辐射传热灰体间的辐射传热441212012144120212()() 100100()() 100100nnTTQCATTCA122112111(1) 1(1)n 36两个
19、物体均为无限大的平行平面两个物体均为无限大的平行平面 121111n4401 21 212()()111 0 01 0 01CQTTqA如果两平行平面中：如果两平行平面中：12（或（或21） 则：则：122（或（或121）导来黑度取决于黑度小的平面。导来黑度取决于黑度小的平面。常见封闭体系的辐射传热常见封闭体系的辐射传热 1221137当一平面或一物体被另一物体包围时：当一平面或一物体被另一物体包围时： 1122111(1)nAA0121 211122()()111 0 01 0 0(1)CTTQAAA如果两物体中，如果两物体中，A2A1，则：，则：121。 大表面的黑度对系统的导来黑度影响很
20、小，以致忽略。大表面的黑度对系统的导来黑度影响很小，以致忽略。1122121,AA3801020102112121111122211222()111111(1)(1)EEEEAQAAAAA两个灰体表面间的辐射传热的电网络图两个灰体表面间的辐射传热的电网络图 1211A1111A2221A39遮热板：遮热板：插入两个辐射插入两个辐射换热表面之间以削弱辐换热表面之间以削弱辐射换热的薄板，其实插射换热的薄板，其实插入遮热板相当于降低了入遮热板相当于降低了表面发射率。表面发射率。遮热板遮热板2.4 削弱辐射换热削弱辐射换热遮热板遮热板40例例1：实验室内有一高：实验室内有一高0.5m，宽，宽1m的铸铁
21、炉门，其表面温的铸铁炉门，其表面温度为度为600， 其黑度其黑度1=0.78。（1）试求由炉门辐射散热量）试求由炉门辐射散热量（2）若在炉门前）若在炉门前25mm外放置一块同等大小的铝板（已氧外放置一块同等大小的铝板（已氧化）作为热屏，其黑度化）作为热屏，其黑度3=0.15，则辐射散热量可降为多少？，则辐射散热量可降为多少？设室温为设室温为27。高温炉高温炉门门铝板遮热铝板遮热屏屏环境空气环境空气4142环境环境遮热板遮热板炉门炉门43例例2：用裸露热电偶测得管产内高温气体的温度：用裸露热电偶测得管产内高温气体的温度T1923K。已知管壁温度为已知管壁温度为440，热电偶表面的黑度，热电偶表面
22、的黑度10.3。高温气。高温气体对热电偶表面的对流给热系数体对热电偶表面的对流给热系数50W/m.，（1）试求管内的真实温度）试求管内的真实温度Tg及热电偶的测温误差。及热电偶的测温误差。（2）如采用单层遮热抽气式热电偶，假设由于抽气的原因）如采用单层遮热抽气式热电偶，假设由于抽气的原因气体对热电偶的的对流给热系数气体对热电偶的的对流给热系数增至增至90W/m.，遮热罩表，遮热罩表面的黑度面的黑度20.344管壁管壁热电偶热电偶热气体热气体45管壁管壁遮热罩遮热罩热气体热气体46遮热罩遮热罩热电偶热电偶热气体热气体47 【例【例】某房间吊装一水银温度计读数为某房间吊装一水银温度计读数为15，已
23、知温度，已知温度计头部黑度为计头部黑度为0.9，头部与室内空气间的对流换热系数，头部与室内空气间的对流换热系数为为20W/mK ，墙表面温度为，墙表面温度为10 ，求该温度计的测，求该温度计的测量误差。如何减小测量误差？量误差。如何减小测量误差？4816.2ft 441212844()()0.9 5.67 10(273 15)(273 10)20(15)16.2 15100%7.4%16.2bbfwbwbwfEEAttAET ETt15wt 10wt 0.9220/.Wm K解：解：49【例】计算在厂房内的蒸气管道外表面每米长【例】计算在厂房内的蒸气管道外表面每米长的辐射热损失。的辐射热损失。
24、已知管外保温层的黑度已知管外保温层的黑度10.9，外径，外径d583mm，外壁面温度，外壁面温度t150，室温，室温t22050【解【解】属一个物体被另一个物体包围时的辐射换热属一个物体被另一个物体包围时的辐射换热 因为管道表面积因为管道表面积F1相对于厂房面积相对于厂房面积F2来说是很小来说是很小 112021FF1211441011424101212,)100()100()100()100(FTTCFTTCQnetdTTCql)100()100(424101)/(334583. 014. 3)10020273()10050273(67. 59 . 044mW513 气体辐射气体辐射lO2、
25、H2、N2等分子结构对称的双原子气体无发射与等分子结构对称的双原子气体无发射与吸收辐射能的能力，是不参与辐射换热的透明体。吸收辐射能的能力，是不参与辐射换热的透明体。lCO2、H2O（水蒸汽）、（水蒸汽）、SO2、CH4、CO等三原子、等三原子、多原子以及结构不对称的双原子气体具有相当大的辐射多原子以及结构不对称的双原子气体具有相当大的辐射与吸收能力。与吸收能力。lCO2和和H2O是烟气中的主要辐射成分。是烟气中的主要辐射成分。523.1气体辐射的特点气体辐射的特点 （1）气体的辐射和吸收对波长有选择性。）气体的辐射和吸收对波长有选择性。固体能发射和吸收全部波长范围的辐射能，而气体只固体能发射
26、和吸收全部波长范围的辐射能，而气体只能发射和吸收某些波长范围内的辐射能。能发射和吸收某些波长范围内的辐射能。（2）气体的辐射和吸收是在整个容器中进行）气体的辐射和吸收是在整个容器中进行。固体、液体的辐射和吸收在其表面进行。固体、液体的辐射和吸收在其表面进行。（3）气体的）气体的R0，A+D1 。与气体的温度与气体的温度Tg气层厚度气层厚度lg与气体分压与气体分压Pg乘积有关乘积有关 (,)ggf Tpl53气体的发射能力：单位表面上、单位时间内的发射能力气体的发射能力：单位表面上、单位时间内的发射能力 式中：式中：Tg-气体的温度；气体的温度；P-气体的分压。气体的分压。l-气体层的平均厚度。
27、气体层的平均厚度。 l=3.6V/A式中：式中： V-气体体积，气体体积，m ；A-包围气体的固体表面积，包围气体的固体表面积，m 。54水蒸汽、水蒸汽、COCO2 2、SOSO2 2气的黑度气的黑度55 CO2与与H2O共存时的黑度共存时的黑度 = + - = + - g2COOH2g2COc02CO022OHOHcg可把可把SO2的分压当作的分压当作H2O的分的分压而计入中去压而计入中去。 水蒸汽辐射的水蒸汽辐射的 修正系数修正系数56（1 1）烟气与器壁间的辐射传热）烟气与器壁间的辐射传热 wwgggwgwATATCQ)100()100(440器壁的有效黑度：器壁的有效黑度：21ww当当
28、TwTg时，近似地采用时，近似地采用Agg wwggwgwATTCQ)100()100(440w0.83.3 气体与固体间的辐射传热气体与固体间的辐射传热57（2 2）烟气与被加热物料间的辐射传热）烟气与被加热物料间的辐射传热 mwggmgmATTCQ)100()100(440物料的有效黑度物料的有效黑度 ：21mm58（3）强化辐射传热的措施强化辐射传热的措施 l A、适当提高烟气温度。、适当提高烟气温度。l B、增大烟气与物料接触的表面积，提高物料的黑、增大烟气与物料接触的表面积，提高物料的黑度；采用反射隔热罩，减少辐射热损失。度；采用反射隔热罩，减少辐射热损失。l C、提高烟气的黑度、提高烟气的黑度 。
