1、工程热力学与传热学工程热力学与传热学传热学传热学第十一章第十一章 辐射换热辐射换热第十一章第十一章 辐射换热辐射换热内容要求内容要求v掌握热辐射的基本概念；掌握热辐射的基本概念；v掌握黑体，黑体辐射的基本定律；掌握黑体，黑体辐射的基本定律；v实际物体的辐射特性，基尔霍夫定律；实际物体的辐射特性，基尔霍夫定律；v重点掌握角系数，辐射换热的计算方法重点掌握角系数，辐射换热的计算方法 （黑体表面间，漫灰表面间的辐射换热）；（黑体表面间，漫灰表面间的辐射换热）；v重点掌握遮热板原理。重点掌握遮热板原理。热辐射：热辐射：物体由于受热而向外发射辐射能的现象。物体由于受热而向外发射辐射能的现象。热辐射的波长
2、范围热辐射的波长范围 11111 1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 理论上理论上 ：0 整个波谱；整个波谱；日常生活日常生活,工业上常见的温度范围内工业上常见的温度范围内 ：0.1 100 m，包括部分紫外线，可见光，部分红外线；包括部分紫外线，可见光，部分红外线；工业上常见温度范围工业上常见温度范围T2000K时：时：0.76 10 m 辐射换热（辐射换热（Radiation heat transfer）发射，吸收发射，吸收辐射能辐射能 两物体温度不同时，高温物体失去热量；两物体温度不同时，高温物体失去热量；两物体温度相同时，辐射换热量为零。两物体温度相同时，辐射换热量为零。11-1-1
3、 吸收，反射和透过吸收，反射和透过 投入辐射投入辐射G：单位时间投射到单位面积物体表面上单位时间投射到单位面积物体表面上 全部波长范围内的辐射能。全部波长范围内的辐射能。W/2 根据能量守恒：根据能量守恒：GGGG或：或：GGGGGG1 1 吸收比，反射比和透过比吸收比，反射比和透过比 吸收比吸收比(Absorptivity)反射比反射比(Reflectivity)透过比透过比(Tranmissivity)某一波长的投入辐射某一波长的投入辐射G：GGGGGGGGGG1 光谱吸收比光谱吸收比(Absorptivity)光谱反射比光谱反射比(Reflectivity)光谱透过比光谱透过比(Tran
4、missivity)2 不同物体表面的辐射特性不同物体表面的辐射特性 热辐射投射到固体，液体表面上：热辐射投射到固体，液体表面上：01两种反射现象：两种反射现象：镜反射镜反射(Specular reflection)漫反射漫反射(Diffuse reflection)漫射表面：漫射表面：漫反射和漫发射漫反射和漫发射 热辐射投射到气体表面上：热辐射投射到气体表面上：01容积性容积性表面性表面性 11-1-2 黑体，镜体和绝对透明体黑体，镜体和绝对透明体 绝对黑体（黑体）：绝对黑体（黑体）：1 镜体（白体）：镜体（白体）：1 绝对透明体：绝对透明体：1 白雪白雪：（接近黑体）；（接近黑体）；白布，
5、黑布吸收比基本相同；白布，黑布吸收比基本相同；玻璃可透过可见光，对红外线几乎不透过。玻璃可透过可见光，对红外线几乎不透过。94.0例如例如黑体，白体不同于黑色物体，白色物体。黑体，白体不同于黑色物体，白色物体。区别区别 吸收，发射吸收，发射辐射能能力最强辐射能能力最强 11112 2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律 普朗特定律，维恩位移定律，普朗特定律，维恩位移定律，斯忒藩斯忒藩-波耳兹曼定律，兰贝特定律。波耳兹曼定律，兰贝特定律。11-2-1 普朗特定律普朗特定律 1.辐射力和光谱辐射力辐射力和光谱辐射力 辐射力辐射力(Emissive power)单位时间单位面积物体表面向半球空间的
6、所单位时间单位面积物体表面向半球空间的所有方向发射全部波长范围的辐射能的总量，称为有方向发射全部波长范围的辐射能的总量，称为 该物体表面的辐射力。该物体表面的辐射力。E，W/m2 光谱辐射力光谱辐射力(Emissive power)单位时间单位面积物体表面向半球空间的单位时间单位面积物体表面向半球空间的 所有方向发射波长所有方向发射波长到到+d范围的辐射能，范围的辐射能，称为该物体表面的辐射力。称为该物体表面的辐射力。E，W/m3dEE0 对黑体辐射：对黑体辐射：bbEE 不同温度下黑体的光谱辐射力随波长的变化：不同温度下黑体的光谱辐射力随波长的变化：T一定时，一定时，00:0:max,bbm
7、EE 一定时，一定时，bbEET,2.普朗特定律普朗特定律1900年，普朗特确定黑体辐射的光谱分布规律。年，普朗特确定黑体辐射的光谱分布规律。1251TCbeCE),(TfEb 11-2-2 维恩位移定律维恩位移定律光谱辐射力为光谱辐射力为 Eb,max时，时，和和 T 之间的关系。之间的关系。0ddEb可得可得:KmTm33109.2108976.2并且并且:355max,/10106.1mWTEb当温度不变时当温度不变时:推导推导 随随T的升高，的升高，Eb对应的波长对应的波长向短波迁移。向短波迁移。举例举例计算温度分别为计算温度分别为2000K 和和5800K的黑体的黑体与与Eb,max
8、对应的对应的。解：由维恩位移公式：解：由维恩位移公式：mKTmKTmm5.058006.2897,580045.120006.2897,2000说明说明 工业上一般高温范围（工业上一般高温范围（2000K以下）时，以下）时，与与Eb,max对应的对应的位于红外线区段；位于红外线区段；温度近于太阳表面温度（温度近于太阳表面温度（5800K）时，）时，与与Eb,max对应的对应的位于可见光区段。位于可见光区段。11-2-3 斯忒藩斯忒藩-波耳兹曼定律波耳兹曼定律 1879年斯忒藩（实验）年斯忒藩（实验）,1884年波耳兹曼（理论）年波耳兹曼（理论）确定了黑体的确定了黑体的 Eb与与 T的关系。的关
9、系。40TEb式中式中:黑体辐射常数黑体辐射常数)/(1067.54280KmW0另一种形式另一种形式:240/)100(mWTCEb式中式中:C0 黑体辐射系数黑体辐射系数)/(67.5420KmWC举例举例计算黑体表面温度为计算黑体表面温度为27 和和627时时的辐射力的辐射力 E Eb b。解：黑体表面温度为解：黑体表面温度为27时时：244101/459)10027327(67.5)100(mWTCEb黑体表面温度为黑体表面温度为627时时：2344202/102.37)100273627(67.5)100(mWTCEb分析分析81,31212bbEETT说明说明高温和低温两种情况下，
10、高温和低温两种情况下，黑体的辐射能力有明显的差别。黑体的辐射能力有明显的差别。波段内黑体辐射力：波段内黑体辐射力：dEEbb0实际问题：实际问题：dEEbb2121)(引入辐射比引入辐射比)(21bF)0()0(400)(122121211bbbbbbFFdETdEdEF其中：其中：为黑体辐射函数（表为黑体辐射函数（表11-1）)0(bF 则波段内黑体辐射力：则波段内黑体辐射力：bbbbEFFE)0()0()(1221 11-2-4 兰贝特定律兰贝特定律 1.立体角立体角srrA2球面度球面度 对整个半球：对整个半球：srrA222 对微元立体角：对微元立体角：srddrdAdsin2 2.定
11、向辐射强度（辐射强度）定向辐射强度（辐射强度）物体单位时间单位可见辐射面积单位立体角物体单位时间单位可见辐射面积单位立体角 内发出的辐射能量。内发出的辐射能量。)/(cos),(2srmWddAdL 对各向同性物体表面：对各向同性物体表面：)(),(LL0)()(dLL 光谱辐射强度光谱辐射强度 ：)(L 3.定向辐射力定向辐射力 单位时间单位面积物体表面向某个方向发射单位时间单位面积物体表面向某个方向发射 单位立体角内的辐射能单位立体角内的辐射能,称为该物体表面在该称为该物体表面在该 方向上的定向辐射力。方向上的定向辐射力。E，W/(m2.sr)/(2srmWdAddEcos)(LE 4.兰
12、贝特定律兰贝特定律 黑体的定向辐射强度与方向无关，黑体的定向辐射强度与方向无关，即半球空间各方向上的辐射强度都相等。即半球空间各方向上的辐射强度都相等。即是：即是：ConstLL)(定向辐射力与定向辐射强度的关系：定向辐射力与定向辐射强度的关系：cosLE 辐射力与定向辐射强度的关系：辐射力与定向辐射强度的关系：20202cossincosLddLdLE 适用于：适用于：黑体黑体漫发射体漫发射体 11113 3 实际物体的辐射特性实际物体的辐射特性 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 11-3-1 实际物体的发射特性实际物体的发射特性 实际物体的发射特性和吸收特性。实际物体的发射特性和吸收特性。1.物体
13、的发射率（黑度）物体的发射率（黑度）bEE 实际物体的辐射力：实际物体的辐射力：40)100(TCEEb反映了物体发射辐射能量的能力。反映了物体发射辐射能量的能力。说明说明bbEdE0 因此：因此：2.物体的光谱发射率（光谱黑度）物体的光谱发射率（光谱黑度）bEE 3.影响发射率的因素影响发射率的因素 物体的种类；物体的种类；物体的表面温度；物体的表面温度；物体的表面状况。物体的表面状况。40)100(TCEEb只取决于物只取决于物体自身特性体自身特性实验测定实验测定例如例如 种类：种类：常温下，白色大理石常温下，白色大理石0.95，镀锌铁皮镀锌铁皮0.23；温度：温度：氧化的铝表面氧化的铝表
14、面5050，=0.2=0.2，500500，=0.3=0.3；表面状况：表面状况：无光泽黄铜无光泽黄铜0.22，磨光黄铜，磨光黄铜0.05；非金属材料较高非金属材料较高0.850.95，且与表面颜色无关。且与表面颜色无关。11-3-2 实际物体的吸收特性实际物体的吸收特性 1.物体的吸收率：物体的吸收率：物体对投入辐射所吸收的百分数。物体对投入辐射所吸收的百分数。吸收率取决于两方面因素：吸收率取决于两方面因素：物体的种类，温度和表面性质物体的种类，温度和表面性质 2.物体的光谱吸收率：物体的光谱吸收率：物体对某一特定波长的辐射能吸收的百分数。物体对某一特定波长的辐射能吸收的百分数。吸收物体的本
15、身状况吸收物体的本身状况 投入辐射的特性投入辐射的特性 实际物体的光谱吸收率对波长具有选择性：实际物体的光谱吸收率对波长具有选择性：白瓷白瓷砖砖9.0,52.0,2mm玻璃玻璃可见光，可见光，红外线，红外线，很小，近乎透明体；很小，近乎透明体；紫外线，紫外线，红外线，红外线，表现不透明性。，表现不透明性。m5.2m31温室效应温室效应白漆和黑漆白漆和黑漆 物体的颜色对可见光物体的颜色对可见光 呈强烈选择性；呈强烈选择性；但对红外线的吸收率但对红外线的吸收率均为均为0.9左右。左右。11-3-3 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 1.灰体灰体,说明说明 灰体和黑体一样，也是一种理想物体；灰体和黑体一样，
16、也是一种理想物体；灰体的灰体的 与波长无关，只取决于本身特性，与波长无关，只取决于本身特性，与外界投射辐射无关；与外界投射辐射无关；就发射和吸收的规律而言，灰体和黑体完全相同，就发射和吸收的规律而言，灰体和黑体完全相同，在数量上体现了百分比关系。在数量上体现了百分比关系。,大多数工程材料大多数工程材料 可作灰体处理。可作灰体处理。2 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 1860年，基尔霍夫揭示了物体吸收辐射能的年，基尔霍夫揭示了物体吸收辐射能的 能力和发射辐射能的能力之间的关系。能力和发射辐射能的能力之间的关系。),(),(TT结论结论 同一温度下，吸收辐射能力愈强的物体，同一温度下，吸收辐射能力愈强的
17、物体，发射辐射能的能力也愈强。发射辐射能的能力也愈强。)()(TT 对于灰体：对于灰体：同一温度下，黑体的辐射能力最强。同一温度下，黑体的辐射能力最强。不适于太阳辐射的吸收。不适于太阳辐射的吸收。11114 4 辐射换热的计算方法辐射换热的计算方法假设假设 进行辐射换热的物体表面之间是进行辐射换热的物体表面之间是 不参与辐射换热的介质或真空；不参与辐射换热的介质或真空；参与辐射换热的物体表面为漫射灰体参与辐射换热的物体表面为漫射灰体 或黑体表面；或黑体表面；每个物体的温度，辐射特性及每个物体的温度，辐射特性及 投入辐射分布均匀。投入辐射分布均匀。11-4-1 角系数角系数 1.角系数的定义角系
18、数的定义1212,1X2121,2X 表面表面1对表面对表面2的角系数：的角系数：表面表面2对表面对表面1的角系数：的角系数：2122112,121coscos1dAdArAXAA或：或：2122121,221coscos1dAdArAXAA几何量几何量 2.角系数的性质角系数的性质 非自见面的角系数等于非自见面的角系数等于0。角系数的相对性角系数的相对性1,222,11XAXA01,1X 角系数的完整性角系数的完整性12,11,1 XX封闭空腔中：封闭空腔中：15,14,13,12,11,1XXXXX或：或：11,njjiX 角系数的可加性角系数的可加性组合面组合面A（1+2）对面对面A3的
19、辐射角系数。的辐射角系数。2,31,3)21(,3XXX分析分析根据角系数的完整性：根据角系数的完整性：2,331,33)21(,33XAXAXA即是：即是：又由角系数的相对性：又由角系数的相对性：3),21()21()21(,33XAXA因此：因此：3,223,113),21()21(XAXAXA 3.角系数的计算角系数的计算主要方法有：主要方法有：积分法；积分法；代数法；代数法；图解法图解法 两面封闭系统两面封闭系统 有一个面为非自见面：有一个面为非自见面：两平行大平面：两平行大平面：两个面都是自见面：两个面都是自见面：解：根据角系数的完整性：解：根据角系数的完整性：举举例例确定：确定：?
20、,2,21,22,11,1XXXX12,11,1 XX又由角系数的相对性：又由角系数的相对性：1,222,11XAXA由：由：01,1X得：得：12,1X得：得：212,1211,2AAXAAX211,22,211AAXX举举例例确定：确定：?,2,21,22,11,1XXXX由：由：0,02,21,1XX解：解：得：得：12,1X11,2X举举例例确定：确定：?,2,21,22,11,1XXXXA3 三个非凹表面组成封闭系统三个非凹表面组成封闭系统举举例例确定：角系数确定：角系数解：根据非自见面的角系数为解：根据非自见面的角系数为0：0,0,03,32,21,1XXX1,222,11XAXA
21、1,333,11XAXA2,333,22XAXA13,12,11,1XXX13,22,21,2XXX13,32,31,3XXX可求：可求：132113212,122llllAAAAX12313,12llllX21323,22llllX 交叉线法交叉线法确定表面确定表面A1，A2的角系数。的角系数。分析分析辅助线辅助线解：封闭空腔解：封闭空腔 abcd 中中:bdacXXXX,1,11,12,11封闭空腔封闭空腔 abc，abd中中:abbcacabXac2,1abadbdabXbd2,1因此：因此：abbdacadbcX2)()(2,1 11-4-2 黑体表面间的辐射换热黑体表面间的辐射换热
22、1.任意位置的两黑体表面。任意位置的两黑体表面。12,1121bEXA21,2212bEXA两黑体表面间的净辐射换热量：两黑体表面间的净辐射换热量：21,2212,1112212,1bbEXAEXA2,11212,1)(XAEEbb或：或：2,11212,11XAEEbb空间辐射热阻空间辐射热阻 2.多个黑体组成的封闭空腔。多个黑体组成的封闭空腔。表面表面1对其它表面的辐射换热：对其它表面的辐射换热：)()()(1,11213,11212,111,11bnbnbbbbniiEEXAEEXAEEXA或：或：niiiTTXA14410,111)(第第i个黑体表面的辐射换热量：个黑体表面的辐射换热量
23、：njjijiiiTTXA1440,)(11-4-3 漫灰表面间的辐射换热漫灰表面间的辐射换热 1.有效辐射有效辐射设有一漫灰表面设有一漫灰表面A，=。与表面与表面A 有关的能量有：有关的能量有：投入辐射投入辐射 G 吸收辐射吸收辐射G 反射辐射反射辐射G 自身辐射（辐射力）自身辐射（辐射力）E=Eb 有效辐射有效辐射 JGEJ或：或：GEJb)1(合成辐射（净辐射热流）合成辐射（净辐射热流）GJq或：或：GEqb两式联立，消去两式联立，消去G，且，且=。表面辐射热阻表面辐射热阻 对黑体表面：对黑体表面：01,1A得：得：1JEqbAJEb1 2.两漫灰表面间的辐射换热两漫灰表面间的辐射换热
24、两漫灰表面构成封闭空腔，且两漫灰表面构成封闭空腔，且T1T2：分析分析21,2212,1112212,1JXAJXA 因此因此 A1 和和 A2 的净辐射热量：的净辐射热量：即是：即是：)(12,11212,1aXAJJ 2,11212,11XAEEbb黑体黑体A312,1121JXA21,2212JXA同时同时)(1111111bAJEb A1 的净辐射热量：的净辐射热量：A2 的净辐射热量：的净辐射热量：)(1222222cAJEb 换热系统热平衡时：换热系统热平衡时：2,121将将(a),(b),(c)相加，消去相加，消去J1，J2得：得：2222,11111212,1111AXAAEE
25、bb)(12,11212,1aXAJJ A3)(2112,1bbsEEA)11(1)11()(2212,112112,1AAXEEAbb或：或：系统黑度系统黑度 两漫灰表面间的辐射换热网络图两漫灰表面间的辐射换热网络图 系统黑度：系统黑度：减少散热减少散热保温瓶的夹层（银，铝薄层）保温瓶的夹层（银，铝薄层）强化换热强化换热电气设备（黑度大油漆）电气设备（黑度大油漆）两漫灰表面间辐射换热的几种简化形式：两漫灰表面间辐射换热的几种简化形式：A1面为非自见面：面为非自见面：由：由：01,1X12,1X)11(1)(22112112,1AAEEAbb得：得：两个无限大平板间辐射换热：两个无限大平板间辐
26、射换热：由：由：1,1212,1AAX111)(212112,1bbEEA得：得：)11(1)11()(2212,112112,1AAXEEAbb 两表面相差很大（大房间内小物体的辐射换热）两表面相差很大（大房间内小物体的辐射换热）)(21112,1bbEEA得：得：0,121122,1AAAAX由由 3.多个漫灰表面构成的封闭空腔中的辐射换热多个漫灰表面构成的封闭空腔中的辐射换热 辐射换热网络求解法：辐射换热网络求解法：应用有效辐射的概念，将辐射换热系统应用有效辐射的概念，将辐射换热系统 模拟成相应的电路系统，借助于电学中克希模拟成相应的电路系统，借助于电学中克希 荷夫电流定律求解该系统的辐
27、射换热问题。荷夫电流定律求解该系统的辐射换热问题。三个漫灰表面构成的封闭空腔中的辐射换热三个漫灰表面构成的封闭空腔中的辐射换热 首先绘制辐射网络图：首先绘制辐射网络图：然后列出各节点有效辐射的关系式然后列出各节点有效辐射的关系式 （注入每个节点的热流之和为零）：（注入每个节点的热流之和为零）：01113,11132,111211111XAJJXAJJAJEb节点节点J1：01113,22232,112122222XAJJXAJJAJEb节点节点J2：01113,22323,113133333XAJJXAJJAJEb节点节点J3：根据已知条件，求解未知量。根据已知条件，求解未知量。已知三个表面温
28、度已知三个表面温度T1,T2,T3；以及；以及 A1,A2,A3,1,2,3,X1,2,X1,3,X2,3。确定每个表面的有效辐射确定每个表面的有效辐射J1,J2,J3和和 净辐射热量净辐射热量1,2,3。例如例如 具有重辐射面的封闭空腔中的辐射换热：具有重辐射面的封闭空腔中的辐射换热：重辐射面：辐射绝热面，净辐射热流为重辐射面：辐射绝热面，净辐射热流为0。tbbREE212,1222211111ARARtt3,223,112,112111111XAXAXARtGJ 11115 5 遮热板原理遮热板原理如何削弱物体表面如何削弱物体表面 之间的辐射换热：之间的辐射换热：采用反射率高的表面；采用反
29、射率高的表面；采用遮热板。采用遮热板。遮热板的作用：遮热板的作用：在整个辐射换热中净辐射换热量为在整个辐射换热中净辐射换热量为0。即遮热板即不向原系统放出热量，也不从中即遮热板即不向原系统放出热量，也不从中 吸收热量，只是在热流通路中增大了原系统吸收热量，只是在热流通路中增大了原系统 的热阻，使换热表面之间的辐射换热受到阻碍。的热阻，使换热表面之间的辐射换热受到阻碍。举例举例 两个大平板两个大平板A1,A2,温度温度T1,T2,发射率发射率1,2。中间放置遮热板中间放置遮热板T3(T3=T3),3=3分析：分析：无，有遮热板时辐射换热量的变化。无，有遮热板时辐射换热量的变化。无遮热板时：无遮热
30、板时：111)(21212,1bbEEA2222,11111212,1111AXAAEEbb 有遮热板时：有遮热板时：111)(31313,1bbEEA111)(23232,3 bbEEA简化考虑：简化考虑：2331 2,123121可求：可求：)(21424143TTT2312,33,1 且：且：111)(21212,1bbEEA结论结论 加加1块发射率与平板相同的遮热板后，块发射率与平板相同的遮热板后，2,123121 因此，加因此，加n块发射率与平板相同的遮热板后，块发射率与平板相同的遮热板后，2,1)(2,111nn 工程中选用反射率高，发射率小的材料工程中选用反射率高，发射率小的材料 做遮热板做遮热板 。2313,遮热板的辐射网络图遮热板的辐射网络图例题例题 两平行大平板间的辐射换热，平板的黑度两平行大平板间的辐射换热，平板的黑度分别为分别为0.5，0.8。如果中间加进一块铝箔的。如果中间加进一块铝箔的遮热板，其黑度为遮热板，其黑度为0.05。试计算辐射换热量减少的百分率。试计算辐射换热量减少的百分率。
