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1、传热学第十二章学第十二章辐射射换热第1页，共37页，编辑于2022年，星期四v12-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念v12-2 黑体辐射基本定律黑体辐射基本定律v12-3 两物体表面间的辐射换热计算两物体表面间的辐射换热计算v12-4 气体辐射气体辐射第2页，共37页，编辑于2022年，星期四总体要求：总体要求：定性：定性：热辐射基本概念，黑体辐射基本定律，实际物热辐射基本概念，黑体辐射基本定律，实际物体的辐射特性及基耳霍夫定律；辐射换热的强化与削体的辐射特性及基耳霍夫定律；辐射换热的强化与削弱。弱。定量：定量：利用黑体辐射基本定律及黑体辐射换热函数求利用黑体辐射基本定律及黑体辐射换热函数
2、求解辐射换热问题。解辐射换热问题。第3页，共37页，编辑于2022年，星期四第十二章第十二章 辐射换热辐射换热 热辐射是热传递的三种基本方式之一，它是由电热辐射是热传递的三种基本方式之一，它是由电磁波来传递能量的现象，与导热和对流有着本质的磁波来传递能量的现象，与导热和对流有着本质的区别。辐射换热是互不接触的物体之间通过相互辐区别。辐射换热是互不接触的物体之间通过相互辐射进行热交换的过程。射进行热交换的过程。第4页，共37页，编辑于2022年，星期四辐射通过低温区向人体辐射通过低温区向人体传热传热 由于太空的超真空环境是天然的由于太空的超真空环境是天然的热绝缘体，使其高温外壁不易冷热绝缘体，使
3、其高温外壁不易冷却，而辐射几乎是唯一的散热方却，而辐射几乎是唯一的散热方式式 第5页，共37页，编辑于2022年，星期四人体与墙壁间的传热方式主要是辐射人体与墙壁间的传热方式主要是辐射第6页，共37页，编辑于2022年，星期四传统工业中的辐射换热问题传统工业中的辐射换热问题 太阳能热水器是典型的利用辐射换热原理太阳能热水器是典型的利用辐射换热原理 辐射换热应用背景介绍辐射换热应用背景介绍物体通过电磁波来传递能量的方式物体通过电磁波来传递能量的方式叫辐射叫辐射。自然界中。自然界中各个物体不停地向空间发出热辐射，同时又不断地吸收其各个物体不停地向空间发出热辐射，同时又不断地吸收其它物体发出的热辐射
4、。辐射与吸收过程的综合结果就造成它物体发出的热辐射。辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递了以辐射方式进行的物体间的热量传递辐射换热辐射换热。第7页，共37页，编辑于2022年，星期四1 定义：定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量保温瓶的散热保温瓶的散热-保温瓶夹层中主要依靠辐射传热保温瓶夹层中主要依靠辐射传热 12-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念一、辐射的概念及特点第8页，共37页，编辑于2022年，星期四1）只要物体温度）只要物体温度T0K，物体就有辐射本领；，物体就有辐射本领；2）存在近程及远程效应）存在近程及
5、远程效应(近在咫尺，远至天体近在咫尺，远至天体)；3）存在热动平衡（吸收和发射）；）存在热动平衡（吸收和发射）；4）在高温时更加重要，与（）在高温时更加重要，与（Tw4Tf4）成正比；）成正比；5）存在着吸收，反射与穿透；）存在着吸收，反射与穿透；6）物性随波长和方向而变；）物性随波长和方向而变；7）无须任何介质，可以穿过真空和低温。）无须任何介质，可以穿过真空和低温。2 辐射换热基本特点辐射换热基本特点:第9页，共37页，编辑于2022年，星期四3、电磁波谱、电磁波谱 电磁辐射包含了多种形式，如下图所示，而我们所感兴趣的，电磁辐射包含了多种形式，如下图所示，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意
6、义的热辐射区域一般为即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.381000m。国际上。国际上规定家用微波炉的微波波长为规定家用微波炉的微波波长为 122 mm，对应频率为，对应频率为 2450 MHz电磁波的传播速度：电磁波的传播速度：c=f 式中：式中：f 频率，频率，s-1;波长，波长，m第10页，共37页，编辑于2022年，星期四例：例：室温下呈黑色的铁棒在炉室温下呈黑色的铁棒在炉中加热时，颜色渐呈暗红、中加热时，颜色渐呈暗红、红、橙黄，您知道为什么吗红、橙黄，您知道为什么吗？答案：答案：随着铁棒的加热，随着铁棒的加热，温度升高，其辐射能量最大的波长向短温度升高，其辐射能量最大的波长向短波
7、方向移动波方向移动，即经历了由远红外线、近红外线到可见光区，即经历了由远红外线、近红外线到可见光区域，因而会呈现上述颜色变化。域，因而会呈现上述颜色变化。维恩定律第11页，共37页，编辑于2022年，星期四例：例：海水的颜色为什么总是蓝海水的颜色为什么总是蓝色的？色的？答案：答案：这是由于海水的非灰性质引起的，即这是由于海水的非灰性质引起的，即海水对不同的波长海水对不同的波长的可见光吸收率不同的可见光吸收率不同，对蓝色波长附近的射线吸收少，反，对蓝色波长附近的射线吸收少，反射多，所以呈蓝色。射多，所以呈蓝色。第12页，共37页，编辑于2022年，星期四QAQRQDQ第十二章第十二章 辐射换热辐
8、射换热 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 一般来说，热射线也遵循可见光的规律，即当射线落到物体表面一般来说，热射线也遵循可见光的规律，即当射线落到物体表面上时，也发生吸收、反射和穿透现象。如图，设外界投射到物体表面上时，也发生吸收、反射和穿透现象。如图，设外界投射到物体表面的总能量为的总能量为Q,一部分能量一部分能量QA在进入表面后被物体吸收；另一部分能量在进入表面后被物体吸收；另一部分能量QR被被物体反射，其余部分能量物体反射，其余部分能量QD透射过物体，于是有：透射过物体，于是有：令则:A+D+R=1二、吸收、反射和透射第13页，共37页，编辑于2022年，星期四第十二章第十二章 辐射换热
9、辐射换热 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 A-吸收率吸收率D-反射率反射率R-穿透率穿透率A、D、R的大小都在的大小都在0-1范围内变化，大小与物体的温度和表面状况有关，范围内变化，大小与物体的温度和表面状况有关，实际工程中，可以认为液体和固体不允许热辐射透过，所以实际工程中，可以认为液体和固体不允许热辐射透过，所以D=0。就固体和液。就固体和液体而言，吸收能力大的物体其反射能力就弱。体而言，吸收能力大的物体其反射能力就弱。在工程中，通常把吸收率在工程中，通常把吸收率A=1的物体称为的物体称为绝对黑体绝对黑体（简称黑体）；把（简称黑体）；把反射率反射率R=1的物体称为的物体称为镜体，或绝对白
10、体镜体，或绝对白体；把穿透率；把穿透率D=1的物体称为的物体称为透明透明体体。在工程中，通常引入。在工程中，通常引入灰体灰体的概念，即的概念，即A1的物体。的物体。二、吸收、反射和透射第14页，共37页，编辑于2022年，星期四灰体灰体v单色发射率不随波长而变化的物体，我们称之为灰体单色发射率不随波长而变化的物体，我们称之为灰体 v作为一种研究中的假想物体，在自然界中灰体并不存在的作为一种研究中的假想物体，在自然界中灰体并不存在的；v灰体的辐射力遵循斯蒂芬灰体的辐射力遵循斯蒂芬-玻尔兹曼定律，即玻尔兹曼定律，即 C灰体辐射系数灰体辐射系数 第15页，共37页，编辑于2022年，星期四 自然界中
11、并不存在绝对的黑体，用人工的方法可以制造出十分接近黑体的模型，自然界中并不存在绝对的黑体，用人工的方法可以制造出十分接近黑体的模型，如图，在前墙上开一个小孔的空腔制成黑体，空腔壁面应保持均匀的温度。当辐如图，在前墙上开一个小孔的空腔制成黑体，空腔壁面应保持均匀的温度。当辐射经过小孔射进空腔时，在空腔内要经历多次的吸收和反射，而每经过一次吸收，射经过小孔射进空腔时，在空腔内要经历多次的吸收和反射，而每经过一次吸收，辐射能就按照内壁面吸收率的份额被减弱一次，最终能离开小孔的能量微乎其微，辐射能就按照内壁面吸收率的份额被减弱一次，最终能离开小孔的能量微乎其微，可认为完全被吸收再空腔内。可认为完全被吸
12、收再空腔内。三、辐射力和单色辐射力第16页，共37页，编辑于2022年，星期四第十二章第十二章 辐射换热辐射换热 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 辐射力辐射力是指物体是指物体单位表面积上单位时间内向半球空间所有方向发射的全部波长范围内单位表面积上单位时间内向半球空间所有方向发射的全部波长范围内的总能量的总能量，用符号，用符号E表示。若物体的表面积为表示。若物体的表面积为F，所发射出去的总能量是，所发射出去的总能量是Q,则辐射力为：则辐射力为：w/m2 物体辐射能量按波长的分布是不均匀的。若在波长物体辐射能量按波长的分布是不均匀的。若在波长至至d的波段内，辐射的能量为的波段内，辐射的能量为dE
13、则：则：w/m2 E表示单位时间内，物体在单位面积上向半球空间所有方向发射的某一特定波长的能量，表示单位时间内，物体在单位面积上向半球空间所有方向发射的某一特定波长的能量，称称单色辐射力单色辐射力。凡属黑体的一切量都用凡属黑体的一切量都用E0表示。表示。第17页，共37页，编辑于2022年，星期四 v前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，包括所有方向和所有波长；包括所有方向和所有波长；v真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；v发射率发射率(也称为黑度也称为黑度)：
14、相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比半球总辐射力之比:实际物体的辐射力服从斯蒂芬实际物体的辐射力服从斯蒂芬-玻尔兹曼定律（四次方玻尔兹曼定律（四次方定律），即定律），即 四、发射率（黑度）四、发射率（黑度）第18页，共37页，编辑于2022年，星期四v(1)普朗克定律普朗克定律式中，式中，波长，波长，m m；T T 绝对温度，绝对温度，K K；c c1 1 第一辐射常数，第一辐射常数，；c c2 2 第二辐射常数，第二辐射常数，；12-2 热辐射的基本定律热辐射的基本定律第19页，共37页，编辑于2022年，星期四(2)(2)维恩（
15、位移）定律维恩（位移）定律 维恩位移定律表达了这种波长极值与热力学温度之间的维恩位移定律表达了这种波长极值与热力学温度之间的函数关系函数关系 第20页，共37页，编辑于2022年，星期四(3)(3)斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律：式中，式中，是黑体辐射常数常数。，是黑体辐射常数常数。C C0 0是黑体辐射系数是黑体辐射系数，实际物体的辐射力：实际物体的辐射力：发射率第21页，共37页，编辑于2022年，星期四 黑体在半球空间各个方面上的黑体在半球空间各个方面上的辐射强度辐射强度都相等，这个规律称为都相等，这个规律称为兰贝特定律兰贝特定律(4)(4)兰贝特余弦定律兰贝特余弦定律 根据定向
16、辐射力和定向辐射强度的关系根据定向辐射力和定向辐射强度的关系 定向辐射力的数值和其与法线间的成角定向辐射力的数值和其与法线间的成角有关，其值正比于有关，其值正比于该夹角的余弦，且以法线方向的定向辐射力最大该夹角的余弦，且以法线方向的定向辐射力最大实际物体表面不遵循兰贝特余弦定律实际物体表面不遵循兰贝特余弦定律 指物体表面朝向某给定方向，指物体表面朝向某给定方向，对垂直于该方向的单位面积，对垂直于该方向的单位面积，在单位时间、单位立体角内所在单位时间、单位立体角内所发射的全波长总能量。用符号发射的全波长总能量。用符号I I表示表示第22页，共37页，编辑于2022年，星期四第十二章第十二章 辐射
17、换热辐射换热 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 (5)(5)基尔霍夫定律基尔霍夫定律 如图设有两个表面，一个是黑体，一个是灰体。两个如图设有两个表面，一个是黑体，一个是灰体。两个表面互相平行，距离很近，于是从一块板上发射的辐射表面互相平行，距离很近，于是从一块板上发射的辐射能全部落到另一块板上。若板能全部落到另一块板上。若板1为黑体表面，其辐射力、为黑体表面，其辐射力、吸收率、和表面温度分别为吸收率、和表面温度分别为Eo,Ao和和 T1，板，板2为灰体表面，为灰体表面，其辐射力、吸收率、和表面温度分别为其辐射力、吸收率、和表面温度分别为E,A和和 T2。第23页，共37页，编辑于2022年，星
18、期四第十二章第十二章 辐射换热辐射换热 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 五、基尔霍夫定律A(1-A)Eb 灰体表面灰体表面2所放射出来的能量所放射出来的能量E 透射到黑体表面透射到黑体表面1上时，全上时，全部被黑体所吸收。而黑体表面部被黑体所吸收。而黑体表面1反辐射出来的能量反辐射出来的能量Eb透射到灰透射到灰体体2上时，被灰体表面吸收上时，被灰体表面吸收AEo,而其余部分（而其余部分（1-A)Eo则被反则被反射回到黑体表面射回到黑体表面1上，并完全被黑体所吸收。灰体表面吸收的能上，并完全被黑体所吸收。灰体表面吸收的能量是量是AEo而失去的能量是而失去的能量是E，两者的差额就是两板间的辐射，
19、两者的差额就是两板间的辐射换热量换热量q:w/m2 当温度相等时，两表面处于热平当温度相等时，两表面处于热平衡状态，衡状态，q=0，于是得到，于是得到 E=AEo第24页，共37页，编辑于2022年，星期四第十二章第十二章 辐射换热辐射换热 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 上式可以写成：上式可以写成：推广到任何物体得到：推广到任何物体得到：上式就是基尔霍夫定律的数学表达式。它可以表述为：上式就是基尔霍夫定律的数学表达式。它可以表述为：在热平衡条件下，任何物体的辐射力与吸收率的比值，在热平衡条件下，任何物体的辐射力与吸收率的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。恒等于同温度下黑体的辐射力。第25页
20、，共37页，编辑于2022年，星期四第十二章第十二章 辐射换热辐射换热 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 从基尔霍夫定律可以得出如下结论：从基尔霍夫定律可以得出如下结论：1.在同温度下，物体的辐射力越大，其吸收率就愈大，在同温度下，物体的辐射力越大，其吸收率就愈大，即善于辐射的物体善于吸收。即善于辐射的物体善于吸收。2.同温度下黑体的辐射力最大。同温度下黑体的辐射力最大。3.与黑度相比，与黑度相比，=A.它表明在温度相等的情况下，物体它表明在温度相等的情况下，物体的黑度恒等于它的吸收率。的黑度恒等于它的吸收率。第26页，共37页，编辑于2022年，星期四12-3 物体表面间的辐射换热物体表面间
21、的辐射换热（一）角系数（一）角系数1 1，2 2 有有两两个个表表面面，编编号号为为1和和2，其其间间充充满满透透明明介介质质，则则表表面面1对对表表面面2的的角角系系数数X1,2是：表面是：表面1直接直接投射到表面投射到表面2上的能量，占表面上的能量，占表面1辐射能量的百分比。即辐射能量的百分比。即同同理理，也也可可以以定定义义表表面面2对对表表面面1的的角角系系数数。从从这这个个概概念念我我们们可可以以得得出出角角系系数的应用是有一定限制条件的，即数的应用是有一定限制条件的，即漫射面、等温、物性均匀漫射面、等温、物性均匀第27页，共37页，编辑于2022年，星期四角系数的特征角系数的特征
22、1 1、角系数的相对性、角系数的相对性 2 2、角系数的完整性、角系数的完整性 3 3、角系数的分解性、角系数的分解性（可加性）（可加性）第28页，共37页，编辑于2022年，星期四（二）空间热阻和表面热阻（二）空间热阻和表面热阻v空间热阻：空间热阻：由于物体表面尺寸、形状和相对位置等的影响，使一物体所辐射的能量不能全部投落到另一个物体上面而相当的热阻。v表面热阻：表面热阻：由于物体表面不是黑体，以至于对投射来的辐射能不能全部吸收，或它的辐射力不如黑体那么大而相当的热阻。第29页，共37页，编辑于2022年，星期四（三）任意两物体表面间的辐射换热计算（三）任意两物体表面间的辐射换热计算第30页
23、，共37页，编辑于2022年，星期四（四）特殊位置两物体间的辐射换热计算（四）特殊位置两物体间的辐射换热计算1、两无限大平行平壁间的辐射换热、两无限大平行平壁间的辐射换热特点：特点：所以：所以：第31页，共37页，编辑于2022年，星期四2、空腔与内包壁间的辐射换热、空腔与内包壁间的辐射换热特点：特点：所以：所以：第32页，共37页，编辑于2022年，星期四12-4 气体辐射气体辐射(一一)气体辐射的特点气体辐射的特点空空气气、O O2 2、N N2 2、H H2 2等等结结构构对对称称的的双双原原子子气气体体没没有辐射和吸收能力有辐射和吸收能力多多原原子子气气体体以以及及结结构构不不对对称称
24、的的双双原原子子气气体体有有相当的辐射本领相当的辐射本领第33页，共37页，编辑于2022年，星期四1.1.气体辐射对波长具有强烈的选择性气体辐射对波长具有强烈的选择性每一种气体只有在一定的波长范围内才有辐射和吸收能力每一种气体只有在一定的波长范围内才有辐射和吸收能力O3可以全部吸收波长小于可以全部吸收波长小于0.3 m的紫外线的紫外线工工程程燃燃烧烧的的主主要要产产物物CO2、H2O（汽汽）的的光光带带均均在在波波长长大大于于2.5 m处，各有处，各有三条光带，其中有两条互相重叠三条光带，其中有两条互相重叠第34页，共37页，编辑于2022年，星期四吸收：吸收：辐辐射射到到气气体体层层界界面
25、面上上的的辐辐射射能能在在辐辐射射行行程程中中被被吸吸收收减减弱弱，减减弱弱的的程程度度取取决决于于辐辐射射强强度度及及途途中中所所遇遇到到的的分分子子数目（与数目（与射线行程长度射线行程长度及气体密度有关）及气体密度有关）辐射：辐射：气气体体层层界界面面上上所所感感受受到到的的辐辐射射能能为为到到达达该该界界面面上上的的整整个个容容积积气气体体的的辐射辐射2.2.气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的第35页，共37页，编辑于2022年，星期四(二二)温室温室气体气体地球大气中起温室作用的气体地球大气中起温室作用的气体 二二氧氧化化碳碳、甲甲烷烷、水水蒸蒸气气、臭臭氧氧、NOX、氟氟利利昂等昂等在光带范围内吸收地面发出的长波辐射在光带范围内吸收地面发出的长波辐射以以长长波波辐辐射射的的形形式式通通过过“窗窗区区”散散失失部部分分从从太阳获得热量太阳获得热量第36页，共37页，编辑于2022年，星期四第37页，共37页，编辑于2022年，星期四