第4章 辐射换热-1
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辐射换热
辐射换热开放分类：机械机械工程术语编辑词条分享两个温度不同且互不接触的物体之间通过电磁波进行的换热过程，是传热学的重要研究内容之一。
构成封闭系统（见热力系统）的两个灰体（见黑体和灰体）表面间的辐射换热量 Q12可以用斯忒藩-玻耳兹曼定律表示：式中为黑体辐射常数,又称斯忒藩-玻耳兹曼常数;A1为表面1的面积;T1、T2为表面1、2的热力学温度；F12为表面1、2间的辐射换热系数：式中ε1、ε2为表面1、2的黑度；F 12、F 21为辐射角系数。
对于两个无限大平行平板,F 12＝F 21＝1；对于两个同心圆球或两个同轴无限长圆柱，若其内外壁表面积分别为A 1、A 2，则F 12＝1，。
当ε 符号">时,ε 符号">；其他各种情况下，F 12值的计算式可从有关手册查出。
辐射换热是各种工业炉、锅炉等高温热力设备中重要的换热方式。
常见的问题有两类：固体表面间的辐射换热，取决于辐射角系数F 和黑度ε值；固体表面间夹有气体的辐射换热，除F 和ε值外，还与气体夹层厚度及其黑度有关。
实验表明，除了高度磨光的半球状金属表面的平均黑度为其法向黑度的 1.2倍外，其他工程材料的黑度值多可近似认为与方向无关，而只与物质种类、表面温度和表面状态有关。
①表面光滑的导体的黑度很小，基本上与温度成正比；②介电质的黑度比导体黑度高得多，且与温度成反比；③大多数非金属在低温时的黑度都高于0.8;④钢铁的黑度随氧化程度和表面粗糙度的不同有很大的变化。
火焰的辐射和吸收是在整个容积中进行的。
火焰一般由双原子气体 (N 2、O 2、CO)、三原子气体(CO 2、H 2O 、SO 2)和悬浮固体粒子（炭黑、飞灰、焦炭粒子）所组成。
其中N 2和O 2对热辐射是透明的,CO 等的含量一般很低，因此火焰中具有辐射能力的成分主要是 H2O、CO2和各种悬浮的固体粒子。
对于燃油,发光火焰辐射主要靠炭黑；对于煤粉,发光火焰辐射主要靠焦炭粒子,发光火焰辐射力一般比透明火焰大2～3倍。
辐射换热
气体没有辐射能力：
a 1
0 a 1
a 1 黑体 1 白体 1 透热体
二
辐射的基本定律
辐射力 E ：物体单位表面积在单位时间内向半球空 间所有方向上发射出去的全部波长的辐射能的总量， 单位是W/m2。
光谱辐射力 E ：是物体从波长 到区间 发射出的能量，即物体单位表面积在单位时间内向 半球空间所有方向上发射出去的包含 的单位波长范 围内的辐射能，单位是W/m3。
假设：总辐射能 Q ，物体吸收 Qa ，物体反射 Q ， 透过物体 Q ；根据能量守恒定律有 Q Qa Q Q 以 Q 除全式，并令 a Qa Q
Q Q Q Q
穿透比
a 1 a 吸收比， 反射比，
固体和液体辐射不能穿透： 0
(四) 折热板
假设条件：折热板和辐射板均为灰体
q1,3 s (Eb1 Eb3 ) q3,2 s (Eb3 Eb2 ) q1,3 q3,2 q1,2
无折热板时：
q1, 2
q1,3 q3, 2
2 s ( Eb1 Eb 2 ) 2
q
' 1, 2
s (Eb1 Eb2 ) 2q1, 2
1 1 2,1 J 2 A2 Eb 2 A2 2
稳态换热时： 1,2 2,1
1,2
Eb1 Eb 2 1 1 1 2 1 1 A1 A1 X 1, 2 2 A2
网络法计算
A1 ( Eb1 Eb 2 ) 1,2 s A1 ( Eb1 Eb 2 ) 1 1 1 A1 1 2 1 X 1, 2 A2 2 T1 4 T2 4 5.67 s A1 100 100
a 1
0 a 1
a 1 黑体 1 白体 1 透热体
二
辐射的基本定律
辐射力 E ：物体单位表面积在单位时间内向半球空 间所有方向上发射出去的全部波长的辐射能的总量， 单位是W/m2。
光谱辐射力 E ：是物体从波长 到区间 发射出的能量，即物体单位表面积在单位时间内向 半球空间所有方向上发射出去的包含 的单位波长范 围内的辐射能，单位是W/m3。
假设：总辐射能 Q ，物体吸收 Qa ，物体反射 Q ， 透过物体 Q ；根据能量守恒定律有 Q Qa Q Q 以 Q 除全式，并令 a Qa Q
Q Q Q Q
穿透比
a 1 a 吸收比， 反射比，
固体和液体辐射不能穿透： 0
(四) 折热板
假设条件：折热板和辐射板均为灰体
q1,3 s (Eb1 Eb3 ) q3,2 s (Eb3 Eb2 ) q1,3 q3,2 q1,2
无折热板时：
q1, 2
q1,3 q3, 2
2 s ( Eb1 Eb 2 ) 2
q
' 1, 2
s (Eb1 Eb2 ) 2q1, 2
1 1 2,1 J 2 A2 Eb 2 A2 2
稳态换热时： 1,2 2,1
1,2
Eb1 Eb 2 1 1 1 2 1 1 A1 A1 X 1, 2 2 A2
网络法计算
A1 ( Eb1 Eb 2 ) 1,2 s A1 ( Eb1 Eb 2 ) 1 1 1 A1 1 2 1 X 1, 2 A2 2 T1 4 T2 4 5.67 s A1 100 100
传热学-辐射换热PPT课件
传热学-辐射换热
一、热辐射与辐射换热
1、定义
辐射－辐射是物体中分子或原子受到激发而以电磁波的方式释放能量
的现象。
辐射能－辐射能是电磁波所携带的能量（或热能转变成电磁波形式的
能量）。
热辐射－物体由于热的原因（温度高于 0 K）而发射电磁波的现象。
辐射换热－物体之间通过热辐射交换热量的过程。
当系统达到热平衡时，辐射换热量为零，但热辐射仍然不断进行。
（3）不同温度下黑体的单色辐射力随波长的变化图
1） 黑体的温度一定时， 不同波长的能量不同。 并在某一波长时存在极 大值；
2） Eb 的最大值随温度 的升高向短波方向移动。
对数坐标
3) 相同波长下，温度高 时的光谱辐射力也强
4) 某一温度下曲线与横 轴之间的面积即代表 了该温度下的总辐射 力，即
=
E Eb
=
E Eb
C
T 100
4
Cb
T 100
4
C Cb
实际物体的发射率为图7-9曲线下的面积（辐射力）之比。
同一温度下黑体的辐射力最大。
（2）实际物体的辐射力E
E
Eb
Cb
T 100
4
（3）影响发射率的因素
发射率只取决于发射物本身的材料类别、表面状况和温度，而不 涉及外界条件（见教材P151表7-1）。
2、实际物体的单色发射率 对同温度、同波长
E Eb
单色发射率是曲线的纵坐标之比。
3、实际物体的发射率与单色发射率的关系
E Eb
E d
0
Eb d
Eb d
0
Eb d
图7-9
0
0
4、灰体的发射率与单色发射率的关系
一、热辐射与辐射换热
1、定义
辐射－辐射是物体中分子或原子受到激发而以电磁波的方式释放能量
的现象。
辐射能－辐射能是电磁波所携带的能量（或热能转变成电磁波形式的
能量）。
热辐射－物体由于热的原因（温度高于 0 K）而发射电磁波的现象。
辐射换热－物体之间通过热辐射交换热量的过程。
当系统达到热平衡时，辐射换热量为零，但热辐射仍然不断进行。
（3）不同温度下黑体的单色辐射力随波长的变化图
1） 黑体的温度一定时， 不同波长的能量不同。 并在某一波长时存在极 大值；
2） Eb 的最大值随温度 的升高向短波方向移动。
对数坐标
3) 相同波长下，温度高 时的光谱辐射力也强
4) 某一温度下曲线与横 轴之间的面积即代表 了该温度下的总辐射 力，即
=
E Eb
=
E Eb
C
T 100
4
Cb
T 100
4
C Cb
实际物体的发射率为图7-9曲线下的面积（辐射力）之比。
同一温度下黑体的辐射力最大。
（2）实际物体的辐射力E
E
Eb
Cb
T 100
4
（3）影响发射率的因素
发射率只取决于发射物本身的材料类别、表面状况和温度，而不 涉及外界条件（见教材P151表7-1）。
2、实际物体的单色发射率 对同温度、同波长
E Eb
单色发射率是曲线的纵坐标之比。
3、实际物体的发射率与单色发射率的关系
E Eb
E d
0
Eb d
Eb d
0
Eb d
图7-9
0
0
4、灰体的发射率与单色发射率的关系
辐射换热
A1 ( E 0,1 − E 0,3 ) Q1,3 = = 0.0494 A1 ( E 0,1 − E 0,3 ) 1 1 + −1 0.8 0.05 A3 ( E 0,3 − E 0, 2 ) Q3, 2 = = 0.0494 A3 ( E 0,3 − E 0, 2 ) 1 1 + −1 0.05 0.8
J 1= ε1 Eb1 + ρ1G1 = ε1 Eb1 + (1 − α1 )G1 W/m 2
辐射测量用探测仪所测到的灰表面 的辐射能，实际上都是有效辐射能。 的辐射能，实际上都是有效辐射能。
辐射表面热阻 灰表面每单位面积的辐射换热量，从表面外部来看，应 是该表面的有效辐射与投射辐射之差，从表面外部来看，则 应是本身辐射与吸收辐射之差。 对于漫－灰表面则有：
物体的吸收率、 物体的吸收率、反射率和穿透率
QA + QR + QD = Q
QA QR QD + + =1 Q Q Q
QA/Q 物体的吸收率 吸收率A 吸收率 QR/Q 物体的反射率 反射率R 反射率 QD/Q 物体的穿透率 穿透率D 穿透率 A+R+D=1
A=1的物体称为黑体 黑体(black body) 黑体 R=1的物体称为白体 白体 D=1的物体称为透明体 透明体 灰体（ 灰体（g对黑体的单色辐射力E0,λ之比为 定值，这样的物体称为“灰体”。
灰表面间的辐射换热
有效辐射 灰表面只吸收一部分投射辐射，其余则反射出去， 灰表面只吸收一部分投射辐射，其余则反射出去，这样 在灰表面间形成多次吸收、反射的现象。 在灰表面间形成多次吸收、反射的现象。 引入有效辐射的概念： 引入有效辐射的概念： 其中， 其中，J1是有效辐射 是外界对表面1的投射辐射 的投射辐射。 G1是外界对表面 的投射辐射。
J 1= ε1 Eb1 + ρ1G1 = ε1 Eb1 + (1 − α1 )G1 W/m 2
辐射测量用探测仪所测到的灰表面 的辐射能，实际上都是有效辐射能。 的辐射能，实际上都是有效辐射能。
辐射表面热阻 灰表面每单位面积的辐射换热量，从表面外部来看，应 是该表面的有效辐射与投射辐射之差，从表面外部来看，则 应是本身辐射与吸收辐射之差。 对于漫－灰表面则有：
物体的吸收率、 物体的吸收率、反射率和穿透率
QA + QR + QD = Q
QA QR QD + + =1 Q Q Q
QA/Q 物体的吸收率 吸收率A 吸收率 QR/Q 物体的反射率 反射率R 反射率 QD/Q 物体的穿透率 穿透率D 穿透率 A+R+D=1
A=1的物体称为黑体 黑体(black body) 黑体 R=1的物体称为白体 白体 D=1的物体称为透明体 透明体 灰体（ 灰体（g对黑体的单色辐射力E0,λ之比为 定值，这样的物体称为“灰体”。
灰表面间的辐射换热
有效辐射 灰表面只吸收一部分投射辐射，其余则反射出去， 灰表面只吸收一部分投射辐射，其余则反射出去，这样 在灰表面间形成多次吸收、反射的现象。 在灰表面间形成多次吸收、反射的现象。 引入有效辐射的概念： 引入有效辐射的概念： 其中， 其中，J1是有效辐射 是外界对表面1的投射辐射 的投射辐射。 G1是外界对表面 的投射辐射。
辐射换热
E 0,1 E0.2 Q1, 2 1 A1 X 1, 2
1 A1 X 1, 2
两表面辐射换热的空间热阻
三个黑体表面组成的封闭空腔的辐射换热：
X 1,1 X 1,2 X 1,3 1
封闭空腔内的角系数具有完整性。
若平面1为平面或凸面时X1,1＝0
二、灰体间的辐射换热和有效辐射
投射辐射 G1 ：投射到表面1上 的外来辐射。 吸收辐射 1G1 ：被表面1吸收 的部分。
黑体辐射力等于其定向辐射强度L0的倍。
五、基尔霍夫定律（Kirchhoff’s law)
物体辐射力与吸收率的联系:
表面2辐射换热收支差额：
q E AE0
热平衡时T=T0，q=0
E AE 0
或
E E0 A
1、基尔霍夫定律的数学表达式：
对任何物体
E1 E 2 E3 ....... E0 A1 A2 A3
第三节 物体间的辐射换热
一.角系数
1.两个假定：1）所研究的表面是漫射的；2）在所研究表面的不同地点上 向外发射的辐射热流密度时均匀的。 * 两个表面之间的辐射换热量与两个表面之间的相对位置有很大关系．图 1示出了两个等温表面间的两种极端布置情况：图a中两表间无限接近， 相互间的换热量最大；图b中两表面位于同一表面上，相互间的辐射换 热量为零。由图可以看出，两个表面间的相对位置不同时，一个表面发 出而落到另一个表面上的 辐射能的百分数随之而异，从而 影响到换热量。 2.定义：我们把表面1发出的辐射能 中落到表面2上的百分数 称为表面1对表面2的角系数(angle factor) ， 记为 X1, 2。同理也可以定义表面2 对表面l的角系数。 图1 表面相对位置的影响
空间不同方向的分布不均匀：法线方向最大，切线方向
1 A1 X 1, 2
两表面辐射换热的空间热阻
三个黑体表面组成的封闭空腔的辐射换热：
X 1,1 X 1,2 X 1,3 1
封闭空腔内的角系数具有完整性。
若平面1为平面或凸面时X1,1＝0
二、灰体间的辐射换热和有效辐射
投射辐射 G1 ：投射到表面1上 的外来辐射。 吸收辐射 1G1 ：被表面1吸收 的部分。
黑体辐射力等于其定向辐射强度L0的倍。
五、基尔霍夫定律（Kirchhoff’s law)
物体辐射力与吸收率的联系:
表面2辐射换热收支差额：
q E AE0
热平衡时T=T0，q=0
E AE 0
或
E E0 A
1、基尔霍夫定律的数学表达式：
对任何物体
E1 E 2 E3 ....... E0 A1 A2 A3
第三节 物体间的辐射换热
一.角系数
1.两个假定：1）所研究的表面是漫射的；2）在所研究表面的不同地点上 向外发射的辐射热流密度时均匀的。 * 两个表面之间的辐射换热量与两个表面之间的相对位置有很大关系．图 1示出了两个等温表面间的两种极端布置情况：图a中两表间无限接近， 相互间的换热量最大；图b中两表面位于同一表面上，相互间的辐射换 热量为零。由图可以看出，两个表面间的相对位置不同时，一个表面发 出而落到另一个表面上的 辐射能的百分数随之而异，从而 影响到换热量。 2.定义：我们把表面1发出的辐射能 中落到表面2上的百分数 称为表面1对表面2的角系数(angle factor) ， 记为 X1, 2。同理也可以定义表面2 对表面l的角系数。 图1 表面相对位置的影响
空间不同方向的分布不均匀：法线方向最大，切线方向
辐射换热
（三）多个灰体表面组成的封闭系统的辐射换热
对节点1：
Eb1 J1
1ε 1 ε 1 A1
J 2 J1
1 A1 X1, 2
J 3 J1
1 A1 X1, 3
0
对节点2：
Eb 2 J 2
1ε 2 ε 2 A2
J1 J 2
1 A1 X 1, 2
J3 J 2
1 A2 X 2 , 3
解：对于如图所示的表面1和表面2，补充表面A和表面B。1.5m a 对于表面B和表面（1+A）： 1.5, b 1.0, c 2.0 ,从而有
X B,(1 A) 0.27
2
1m 1m 1m
对于表面B和表面A：a 1.5, b 1.0, c 1.0
X B, A 0.23
热工基础与应用
第四章
第四节
辐射换热
由于热原因而产生的电磁波辐射。
一、辐射换热的基本概念
热辐射：
辐射换热：
物体间相互辐射和吸收的总效果。
西安交通大学热流中心
热工基础与应用
第四章
Q Q Q Q
吸收比α、反射比ρ和穿透比τ: 1 固体、液体： 1 气 体： ρ 0, α τ 1
B A
1
m
1m
a 对于表面(B+2)和表面(A+1)： 1.5, b 1.0, c 2.0
X ( B20,( A1) 0.23
例8 图
对于表面(B+2)和表面A： a 1.5, b 1.0, c 2.0
X ( B2), A 0.14
西安交通大学热流中心
《传热学辐射换热》PPT课件
对于平面和凸面： Fii 0
对于凹面：
Fii 0
31
(3) 完整性
对于有n个外表组成的封闭系统，据能量守恒可得:
Q i Q i 1 Q i 2 Q i i Q i N
Q i1Q i2 Q ii Q iN 1
Q i Q i
Q i
Q i
N
F ij F i1 F i2 F ii F iN 1
即
G G
所吸收的波长为的投射辐射，w/m2 波长为的投射辐射，w/m2
1G G 10
E d ,T1 ,T2 b,T2
E d 0 ,T2 b,T2
?
黑体
1
E d 0 ,T1 b,T2 T24
?
24
基尔霍夫定律 〔吸收率与辐射率之间的关系〕
1859年，Kirchhoff 用热力学方法答复了这个问题，从而提出了 Kirchhoff 定律。最简单的推导是用两块无限大平物体，参数分别为Eb, T1 以 及E, , T2，那么当系统处于热平衡时，有
QEAJA 1
因为： E Eb 所以有：QEb1AJAE1bJ
A
外表辐射 热阻
35
5.1 辐射换热热阻
〔2〕空间辐射热阻
Eb Eb
J JJ1 J1
J2 J2
1 1 A A
11 A1F12 A1F12
物体外表1辐射到外表2的辐射能为
Q 12J1A 1F 12
物体外表2辐射到外表1的辐射能为
Q 21 J2A 2F 21
右图是根据上式描绘的黑体单色辐 射力随波长和温度的关系。
m与T 的关系由Wien偏移定律给
出 m T 2 .8 9 6 1 0 3m K
到达最大单色辐射力时的波长
对于凹面：
Fii 0
31
(3) 完整性
对于有n个外表组成的封闭系统，据能量守恒可得:
Q i Q i 1 Q i 2 Q i i Q i N
Q i1Q i2 Q ii Q iN 1
Q i Q i
Q i
Q i
N
F ij F i1 F i2 F ii F iN 1
即
G G
所吸收的波长为的投射辐射，w/m2 波长为的投射辐射，w/m2
1G G 10
E d ,T1 ,T2 b,T2
E d 0 ,T2 b,T2
?
黑体
1
E d 0 ,T1 b,T2 T24
?
24
基尔霍夫定律 〔吸收率与辐射率之间的关系〕
1859年，Kirchhoff 用热力学方法答复了这个问题，从而提出了 Kirchhoff 定律。最简单的推导是用两块无限大平物体，参数分别为Eb, T1 以 及E, , T2，那么当系统处于热平衡时，有
QEAJA 1
因为： E Eb 所以有：QEb1AJAE1bJ
A
外表辐射 热阻
35
5.1 辐射换热热阻
〔2〕空间辐射热阻
Eb Eb
J JJ1 J1
J2 J2
1 1 A A
11 A1F12 A1F12
物体外表1辐射到外表2的辐射能为
Q 12J1A 1F 12
物体外表2辐射到外表1的辐射能为
Q 21 J2A 2F 21
右图是根据上式描绘的黑体单色辐 射力随波长和温度的关系。
m与T 的关系由Wien偏移定律给
出 m T 2 .8 9 6 1 0 3m K
到达最大单色辐射力时的波长
《辐射换热》PPT课件
五、太阳能
五、太阳能
五、太阳能
太阳能空调
四、气体的辐射换热 ◆不同的气体，吸收和发射的能力不同。 ◆单原子和分子构造对称的双原子气体〔如 空气〕，几乎没有吸收和发射能力，可视为 完全透热体。 ◆不对称的双原子和多原子分子〔如水蒸气、 二氧化碳等〕，那么具有相当大的吸收和发 射能力。
〔2〕在太阳光下，白布的吸收率比黑布的小，在 室外穿浅色衣服比较凉快。
3、吸收、反射和透射 对大局部工程材料〔固体〕：不是透热体，即
AR1 对气体：反射率为0，即： AD 1
水蒸气、二氧化碳气体等，只能局部地吸收一定 波长范围内的辐射能。
4、辐射力
辐射力 ：E指在单位时间内物体单位外表积上
向半球空间所有方向发射的全部波长范围内的总
绝对黑体： 2、反射率
—A物如1体：反烟射煤辐、射雪能。的能力。
绝对白体R：
如：磨光的金属外表。
3、透射率 R —物1体透过辐射能的能力。
绝对透明D体：
如：绝对枯：
〔1〕黑体和白体是针对红外线而言的，与光学 上的黑白不同。如：白布和黑布的吸收率差不多，在 室内的感觉是一样的。
1、太阳的温度约5800K，可见光波长范围约：
0.3~ 80.7μ 6m 0.2~2μm
〔
〕
2、工程实际中所遇到0的.7温度~ 6在22μ 0000m K以下，大局部
热射线的范围为：
为红外线
辐射。
8.1 热辐射的概念和根本定 律 一、热辐射的概念
2、热辐射的特点 〔1〕无需媒介物质，可以在真空中进展热 量传播。 〔2〕热辐射过程中不仅有能量的转移，而 且还伴随着能量的转换，即发射时由热能转 变为辐射能，吸收时又由辐射能转换为热能。
辐射换热2011_PPT课件
注意： X21X2a,1X2b,1
角系数的完整性
角系数的可加性
15
第四章 辐射换热
（4）等值性 （5）非凹面
X1,2 X1,2'
X11 0
例4.1 求X21,X11
X 12
A2 A1
X111X121A A12
2’ 2 1
1 2
16
第四章 辐射换热
例4.2 求X12,X21,X22,X11
1 3
X12A A13
A1(Eb1 Eb2) 1 1 1
1 2
③若 1为非凹表面
A1 0 A2
12 1A 1(E b1E b2)
24
第四章 辐射换热
三、遮热板
1
2
q121 11E b1X 11E 2 b21 22
Eb1Eb2
11121
E b1
J1
1 1
若加一板3（ 3 ）
1A1
q12 11
1
Eb1 Eb2
T328.69K
33
第四章 辐射换热
第4章小结：
1、吸收比、反射比、穿透比、光谱辐射力、总辐射力、定 向辐射强度 2、黑体辐射基本定律（ planck’s law, Wien’s displacement
law, Stefan-Boltzman’s law , Lambert’s law )
3、发射率，吸收比，灰体，基尔霍夫定律
表面 1发出的热 表面 2发出的热
辐射到达表面 2 辐射到达表面 1
的部分
的部分
A1,T1,11
12
(Eb1
1
Eb2 )
A1 X 12
空间热阻
E b1
Eb2
角系数的完整性
角系数的可加性
15
第四章 辐射换热
（4）等值性 （5）非凹面
X1,2 X1,2'
X11 0
例4.1 求X21,X11
X 12
A2 A1
X111X121A A12
2’ 2 1
1 2
16
第四章 辐射换热
例4.2 求X12,X21,X22,X11
1 3
X12A A13
A1(Eb1 Eb2) 1 1 1
1 2
③若 1为非凹表面
A1 0 A2
12 1A 1(E b1E b2)
24
第四章 辐射换热
三、遮热板
1
2
q121 11E b1X 11E 2 b21 22
Eb1Eb2
11121
E b1
J1
1 1
若加一板3（ 3 ）
1A1
q12 11
1
Eb1 Eb2
T328.69K
33
第四章 辐射换热
第4章小结：
1、吸收比、反射比、穿透比、光谱辐射力、总辐射力、定 向辐射强度 2、黑体辐射基本定律（ planck’s law, Wien’s displacement
law, Stefan-Boltzman’s law , Lambert’s law )
3、发射率，吸收比，灰体，基尔霍夫定律
表面 1发出的热 表面 2发出的热
辐射到达表面 2 辐射到达表面 1
的部分
的部分
A1,T1,11
12
(Eb1
1
Eb2 )
A1 X 12
空间热阻
E b1
Eb2
辐射换热
Eb
0
E b d bT
4
4
W /m
2
T Eb Cb 100
b
Cb
——黑体辐射常数， ——黑体辐射系数，
W /m
2
b 5 .6 7 1 0
C b 5 .6 7
8
W/ m K
2
4
W/ mert）
角系数表示离开表面的辐射能中直接落到另一表面的百分数
角系数X1，2定义：表示离开A1的辐射能量中落到A2上的百分 数。称为A1对A2的平均角系数。
X 1, 2 表 面 1对 表 面 2 的 投 入 辐 射 表 面 1向 半 球 空 间 的 总 辐 射
第一个下角标：辐射能离开的表面； 第二个下角标：辐射能直接落到的表面
二、热辐射的基本定律 1、普朗克(Planck)定律与维恩(Wien)位 移定律
E b T
5
C1
T
5
T e 1
C2
f T
m ax T 2 8 9 7 .6 m K
2、斯蒂芬-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann ）
漫射表面的辐射力：
E I
W /m
2
半球空间的辐射力是任意方向定向辐射强度 的 倍。
4、基尔霍夫定律（Kirchhoff） 发射率：实际物体的辐射力与同温度黑体的 辐射力之比。 灰体： 物体的光谱发射率 不随波长变化 ， =常数。
T E Eb Cb 100
3
1
2
1
0 .4
1
3
0 .0 4
0
E b d bT
4
4
W /m
2
T Eb Cb 100
b
Cb
——黑体辐射常数， ——黑体辐射系数，
W /m
2
b 5 .6 7 1 0
C b 5 .6 7
8
W/ m K
2
4
W/ mert）
角系数表示离开表面的辐射能中直接落到另一表面的百分数
角系数X1，2定义：表示离开A1的辐射能量中落到A2上的百分 数。称为A1对A2的平均角系数。
X 1, 2 表 面 1对 表 面 2 的 投 入 辐 射 表 面 1向 半 球 空 间 的 总 辐 射
第一个下角标：辐射能离开的表面； 第二个下角标：辐射能直接落到的表面
二、热辐射的基本定律 1、普朗克(Planck)定律与维恩(Wien)位 移定律
E b T
5
C1
T
5
T e 1
C2
f T
m ax T 2 8 9 7 .6 m K
2、斯蒂芬-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann ）
漫射表面的辐射力：
E I
W /m
2
半球空间的辐射力是任意方向定向辐射强度 的 倍。
4、基尔霍夫定律（Kirchhoff） 发射率：实际物体的辐射力与同温度黑体的 辐射力之比。 灰体： 物体的光谱发射率 不随波长变化 ， =常数。
T E Eb Cb 100
3
1
2
1
0 .4
1
3
0 .0 4
15第四章 辐射传热
石油的特性就是粘度很大，且埋藏很深，开采时需注射高温高压蒸汽使石油稀释，在将蒸汽输送的过程中，要减少散热损失。因此在制造超级隔热油管时采用类似低温保温容器的多层隔热板并抽真空的方式制造。
小结：1、辐射传热强化与削弱的概念；
2、控制表面热阻与空间热阻的途径；
3、遮热板削弱辐射传热的原理及应用。
作业：9-30
第页
保持良好的绿地景观。
（2）遮热板应用于储存液态气体的低温容器
储存液氮、液氧的容器需要良好的保温效果，采用多层遮热板并抽真空就可以达到这样的目的。遮热板身用塑料薄膜制成，上面涂以反射比很大的金属箔层。箔层间以质轻且导热系数小的材料作为分隔层，绝热层中抽成高真空，可制成超级绝热材料。
（3）遮热板用于超级隔热油管
同时由
可得
结合电学中的欧姆定律可见：换热量Φ相应于电流强度；Eb-J或J1-J2相当于电动势差；
分别称为辐射传热的表面热阻及空间辐射热阻。
第页
4.7.1控制物体表面间辐射传热的方法
1、控制表面热阻
由表面热阻的定义，通过改变表面积A或改变发射率来实现。表面积一般不好改变，最有效的方法是改变表面发射率。对于两个不同表面，具有两个不同的发射率，首先应当改变对换热量影响最大的那个表面发射率。
再举一例：如附图所示的人工黑体空腔，温度为T2，内表面积为A2，发射率为ε2。小孔的表面积等于A1。试推导小孔表观发射率的计算式。表观发射率的定义为：小孔在空腔表面温度下的辐射能与相同面积、相同温度下的黑体辐射能之比。
解：空腔为漫灰表面且温度均匀，但小孔不是漫灰表面，无法应用公式，怎么办？
可作小孔外的假想包壳面3的漫灰表面，并设定它的温度为T3，内表面积为A2，发射率为ε2。这样就可以应用公式了。
小结：1、辐射传热强化与削弱的概念；
2、控制表面热阻与空间热阻的途径；
3、遮热板削弱辐射传热的原理及应用。
作业：9-30
第页
保持良好的绿地景观。
（2）遮热板应用于储存液态气体的低温容器
储存液氮、液氧的容器需要良好的保温效果，采用多层遮热板并抽真空就可以达到这样的目的。遮热板身用塑料薄膜制成，上面涂以反射比很大的金属箔层。箔层间以质轻且导热系数小的材料作为分隔层，绝热层中抽成高真空，可制成超级绝热材料。
（3）遮热板用于超级隔热油管
同时由
可得
结合电学中的欧姆定律可见：换热量Φ相应于电流强度；Eb-J或J1-J2相当于电动势差；
分别称为辐射传热的表面热阻及空间辐射热阻。
第页
4.7.1控制物体表面间辐射传热的方法
1、控制表面热阻
由表面热阻的定义，通过改变表面积A或改变发射率来实现。表面积一般不好改变，最有效的方法是改变表面发射率。对于两个不同表面，具有两个不同的发射率，首先应当改变对换热量影响最大的那个表面发射率。
再举一例：如附图所示的人工黑体空腔，温度为T2，内表面积为A2，发射率为ε2。小孔的表面积等于A1。试推导小孔表观发射率的计算式。表观发射率的定义为：小孔在空腔表面温度下的辐射能与相同面积、相同温度下的黑体辐射能之比。
解：空腔为漫灰表面且温度均匀，但小孔不是漫灰表面，无法应用公式，怎么办？
可作小孔外的假想包壳面3的漫灰表面，并设定它的温度为T3，内表面积为A2，发射率为ε2。这样就可以应用公式了。
第四节辐射换热
• 斯蒂芬 玻尔兹曼定律（四次方定律） 斯蒂芬-玻尔兹曼定律（四次方定律） 玻尔兹曼定律 斯蒂芬-玻尔兹曼定律内容 物体的辐射力E 玻尔兹曼定律内容： 斯蒂芬 玻尔兹曼定律内容：物体的辐射力E 与其绝对温度T的四次方成正比。 与其绝对温度T的四次方成正比。
T 4 E = C( ) 100
对于黑体， 对于黑体，有：
普朗克定律的主要内容
它确定了黑体的单色辐射力的表示式： 它确定了黑体的单色辐射力的表示式：
E 0λ =
C1λ e
−5
C 2 /( λT )
−1
W/（m2·μm） （ μm μm）
式中，λ—波长，μm； 波长， 式中， 波长 ； T—物体的绝对温度，K； 物体的绝对温度， ； 物体的绝对温度 常数， C1 —常数，为3.743×108W·μm4/m2； 常数 × μ C2—常数，为1.439×104μm·K 常数， 常数 × 普朗克定律揭示了黑体辐射力在不同温度下按波 长分布的规律。 长分布的规律。
太阳辐射热的计算
• 太阳在辐射时就像一个具有5800K的圆盘， 太阳在辐射时就像一个具有5800K的圆盘， 5800K的圆盘 其最大辐射强度在波长为0.5um 0.5um处 其最大辐射强度在波长为0.5um处。整个 辐射约有一半是发生在可见光的波长范 其余的则在红外线范围内， 围，其余的则在红外线范围内，直到波 长为3um。 长为3um。 3um • 在太阳到地球的平均距离内，太阳垂直 在太阳到地球的平均距离内， 投射在单位面积上的能量是一个常数， 投射在单位面积上的能量是一个常数， 称为太阳常数， 称为太阳常数，其值为
• 几种假想物体
透明体： 透明体： D=1 能让投射到它上面的辐射能全部透过。 即能让投射到它上面的辐射能全部透过。 近似的透明体有氧气，氮气等（双原子气体） 近似的透明体有氧气，氮气等（双原子气体） 白体： 白体：R=1 它能反射投到它表面上的全部热射线。 它能反射投到它表面上的全部热射线。物体表 面的粗糙程度对热射线的反射有决定性影响。 面的粗糙程度对热射线的反射有决定性影响。 黑体: 黑体: A=1 它能全部吸收投射到它上面来的辐射能， 它能全部吸收投射到它上面来的辐射能， 是一切物体中吸收能力最强的一种理想物体。 是一切物体中吸收能力最强的一种理想物体。 在辐射换热理论中，黑体占有重要地位。 在辐射换热理论中，黑体占有重要地位。
《传热学辐射换热》课件
制氢系统通常采用热反应器 来将甲烷和水的混合物转化 为氢气，其中对热的要求很 高。
低温热电转换系统的温 度控制
低温热电转换是一种将温差 转化为电能的过程，可应用 于产生绿色能源或冷却系统 等领域。
建筑能耗管理系统中的 热传递分析
建筑能耗管理系统中，热传 递分析可以优化建筑能源使 用、降低环境污染、提高生 活质量等。
3 传递效应
传热时会发生温度场的变化和对流运动的发 生，也会影响介质的分子活动以及物体的变 形。
4 热辐射的种类
热辐射有热辐射、热电子辐射和自由自发辐 射，其中热辐射是最常见的一种。
辐射换热的定义及作用
定义
辐射换热是指热通过电磁波的传 播来换热的过程，该过程与介质 无关。
作用
辐射换热应用十分广泛，如太阳 能电池板、太空舱、食品加热等 多个领域。
传热学辐射换热PPT课件
本课件将介绍热传递的三种方式之一的辐射换热，包括热辐射基础、辐射换 热模型、辐射换热的重要性、计算方法以及在实际应用中的案例。
热传递的基本概念
1 传递方式
热传递分为传导、对流和辐射Байду номын сангаас种方式，其 中辐射换热是在真空或非接触的情况下很重 要的一种方式。
2 传递方式
传热的三种方式的共同点在于都会受到介质 和温度差的影响，而热辐射是通过电磁辐射 传递热量。
分子形壳辐射发生在由多个分子层组成的介质中，介质厚度通常在几纳米到几微 米范围内。
辐射换热模型
1 设计流程
辐射换热模型的设计流程 包括建立数学模型、精度 验证和优化设计。
2 传热原理
辐射换热的传热原理是辐 射能量通过介质，产生电 子的能量变化，从而产生 热量。
3 传热方程
低温热电转换系统的温 度控制
低温热电转换是一种将温差 转化为电能的过程，可应用 于产生绿色能源或冷却系统 等领域。
建筑能耗管理系统中的 热传递分析
建筑能耗管理系统中，热传 递分析可以优化建筑能源使 用、降低环境污染、提高生 活质量等。
3 传递效应
传热时会发生温度场的变化和对流运动的发 生，也会影响介质的分子活动以及物体的变 形。
4 热辐射的种类
热辐射有热辐射、热电子辐射和自由自发辐 射，其中热辐射是最常见的一种。
辐射换热的定义及作用
定义
辐射换热是指热通过电磁波的传 播来换热的过程，该过程与介质 无关。
作用
辐射换热应用十分广泛，如太阳 能电池板、太空舱、食品加热等 多个领域。
传热学辐射换热PPT课件
本课件将介绍热传递的三种方式之一的辐射换热，包括热辐射基础、辐射换 热模型、辐射换热的重要性、计算方法以及在实际应用中的案例。
热传递的基本概念
1 传递方式
热传递分为传导、对流和辐射Байду номын сангаас种方式，其 中辐射换热是在真空或非接触的情况下很重 要的一种方式。
2 传递方式
传热的三种方式的共同点在于都会受到介质 和温度差的影响，而热辐射是通过电磁辐射 传递热量。
分子形壳辐射发生在由多个分子层组成的介质中，介质厚度通常在几纳米到几微 米范围内。
辐射换热模型
1 设计流程
辐射换热模型的设计流程 包括建立数学模型、精度 验证和优化设计。
2 传热原理
辐射换热的传热原理是辐 射能量通过介质，产生电 子的能量变化，从而产生 热量。
3 传热方程
辐射换热
dA1
4.3、 4.3、积分法确定角系数
由φ1-2A1= φ2-1A2 知是一个纯几何问题
实质上是在求立体方向角与该方向上的可见辐射面 积，即垂直于该方向的流通面积占居的总几何外表 面的面积的分额。 面的面积的分额。 面发射的总辐射能量中投射到2 1面发射的总辐射能量中投射到2面上的辐射能 以及1面发射的总辐射能为： 以及1面发射的总辐射能为：
4.1 角系数
角系数反映的是物体的几何形状、尺寸 和相对位置等几何因素对物体间辐射换 热的影响 ，是一个纯几何因子 ，可以 用数学分析法、查曲线图法、投影法或 几何图形法等方法来确定。
ϕ 1− 2 =
Q 物体 1发射的总辐射能中落到 物体 2上的辐射能 = 1− 2 物体 1发射的总辐射能 Q1
4.2、 4.2、代数法确定角系数
四、物体之间辐射换热的计算
基本计算方法是空腔法 基本计算方法是空腔法
把物体构想成在半球空间中的相互辐射， 把物体构想成在半球空间中的相互辐射，即在 计算任一表面与其它表面的辐射换热时， 计算任一表面与其它表面的辐射换热时，必须 考虑所有参与辐射换热的表面， 考虑所有参与辐射换热的表面，把它们看成一 个封闭腔来分析 。组成辐射空腔的任一表面 辐射的能量会按不同的百分比辐射到其它各个 表面上，同时， 表面上，同时，其它各表面辐射的能量也会按 这个“百分比” 不同的百分比辐射到该表面上 ，这个“百分比” 称为辐射角系数 称为辐射角系数 。
在19世纪末，瑞利（Rayleigh）和维恩（Wein）分别基于理论和实 19世纪末，瑞利（Rayleigh）和维恩（Wein） 世纪末 验提出了各自的黑体单色辐射力随辐射波长和黑体温度变化的规 但结果都不理想。 律，但结果都不理想。普朗克则在他们研究的基础上提出了在整 个波长范围内均满足实验结果的关系式
第四辐射换热HeatRadiation
2 m
（二）斯蒂芬——波尔茨曼定理
Eb
式中：
0
Eb d T
4
w
m2
m2 k 4
8 w 5 . 67 10 ——黑体辐射常数
Eb ——全发射能力，在一定 T 下，最大可能发射能力
灰体辐 射能力 E 灰体：黑度 黑体辐 射 能 力 Eb
物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比称为该物体的
G —物体吸收能量
E —温度 T 下发射辐射能
(1 )G
(1 )G —反射能量
有效辐射：
α G
G
J E (1 )G
对物体内作热平衡
对外部 式中： 由(1),(2)联立，得：
J E
q E G
（ 1 ）
q J G
(2)
J — 有效辐射 J E (1 )G
无遮热板时，X1，2=1
T1 4 T2 4 5.67 100 100 1 1 1
1, 2
1
2
加一层遮热板时，设遮热板两侧表面的发射 率为ε31和ε32，则
T1 4 T2 4 5.67 100 100 1 1 1 1 1 1
1,3, 2 1,3 3, 2
1
31
32
2
结 论
1.加板，辐射热阻↑ 2.热屏蔽可减小辐射传热，板黑度越小，效果 越好。 3.抛光金属板。
例
题
有面积为0.1m2的面包块在烤炉内烘烤，炉内 墙辐射换热面积为1m2，面包温度为100℃，墙 面温度为250℃。假定炉墙和面包之间为封闭空 间。面包黑度估计为0.5，墙为氧化的钢铁表面， 其黑度估计为0.8。 求：面包得到的辐射热量。
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25
热工学
2 漫射灰体的吸收比与发射率之间的关系 • 发射率：
物性参数，与外界无关
• 吸收比：
与波长无关/与外界无关
漫射灰体表面 ≡ 漫灰表面
26
热工学
3 说明 • 辐射换热波长范围内，如果与波长无关，则可
以看成灰体而不必考虑整个波长范围的情况
工程上大部分材料都具备这一特点
• 辐射能力越大，吸收能力越大
1 相对性
对有限大小表面
1, 2 A1Eb1 X1,2 A2 Eb 2 X 2,1
当T1＝T2时，1, 2＝0
A1 X1, 2 A2 X 2,1
32
热工学
2 完整性 对于有n个表面组成的封闭系统， 见右图所示，据能量守恒可得:
X 1,1 X 1, 2 X 1,3 X 1,n X 1,i 1
23
热工学
• 两块无限靠近的无限大平板之间的辐射换热
如图所示，板1为黑体， 板2是任意物体，参数分 别为Eb、T1 以及E、 、 T2，则当系统处于热平衡 时，有
E Eb E Eb
Kirchhoff’s Law
24
热工学
• ＝ 的条件 • 黑体投入辐射
• 系统处于热平衡 这是没有任何实际意义! 什么情况下可以去掉这两个条件呢？
4
热工学
• • •
理论上覆盖整个电磁波谱；
对于太阳辐射（约5800K）：0.22m； 可见光0.380.76m 红外线0.76251000m
•
一般工业范围内（2000K以下）： 0.38100m 0.7620m
•
远红外加热技术
5
热工学
3 物体对热辐射的吸收、反射和穿透
当热辐射投射到物体表面上时， 一般会发生三种现象，即吸收、 反射和穿透，如图7-2所示。
一般有两种处理方法 （1）灰体法 （2）谱带模型法
16
热工学
4 灰体 • 定义：物体的光谱吸收比与波长无关 • 好处：对外界一视同仁 • 理想模型 在一般工业温度水平，大多数工程材 料均可看成灰体
17
热工学
五 实际物体的辐射特性
1 辐射力E emissive power
• 单位时间内，物体的单位表面积向半球 空间发射的所有波长的能量总和。 • 单位：W/m2
• C0－黑体辐射系数
5.67 W/(m2· K4)
22
热工学
二 基尔霍夫（Kirchhoff）定律
1859年，Kirchhoff （德国物理学家，当时25 岁）提出了Kirchhoff 定律。 1 实际物体的吸收比与发射率之间的关系 • 黑体：＝1，＝1→≡ • 实际物体：？？？ 一个简单的辐射换热模型
• 从总体上表征了物体辐射能力的大小。
18
热工学
ET Eb T
19
热工学
2 发射率 （emissivity）
E E Eb T 4
• 一般通过实验测定 • 只取决于物体本身，与外界无关 3 计算式
E Eb T 4
20
热工学
4 说明 • 并不严格遵从四次方定律
对于不含颗粒的气体
0, 1
对于黑体
整个气体容积
1
假想的
镜体或白体 1 透明体
1
7
热工学
4 反射同样具有镜反射和漫反射的分别
镜反射
漫反射
8
热工学
三 黑体模型
1 为什么？
2 黑体模型
•
可以全部吸收透射到其表面上的所有波长 的辐射能；
现实世界中并不存在严格意义上的黑体；
39
热工学
• 利用对称性
1
1
2
1 4
1 2
40
热工学
五 举例
锅炉炉膛火焰对水冷壁的辐射角系数
41
热工学
经简化后 • 变成线AD对弧AB的角系数 • 记得要乘2倍
42
热工学
AD AB BCD X 2 2 AD s MB BC s
43
i 1 n
上式称为角系数的完整性 若表面1为非凹表面时，X1,1 = 0
33
热工学
3 分解性/可加性 如图所示，表面2可分为 2A和2B两个面，当然也 可以分为n个面，则角系 数的可加性为
X1, 2
X1, 2i
i 1
n
注意：子区域不能重叠！
34
热工学
2,1 2 A,1 2 B,1 A2 Eb2 X 2,1 A2 A Eb2 X 2 A,1 A2 B Eb2 X 2 B,1
• 涉及太阳辐射，物体一般不能看成灰体
太阳辐射中可见光的比例将近一半，大多数材料
对可见光有强烈的选择性
27
热工学
§6-3 温室效应
苗圃、花房、温室
玻璃的特性！
• 太阳辐射： 0.22m 几乎透过！ • 室内（4050C）：max9m 几乎不透过！ • 地球大气与玻璃有些类似 气体辐射！
当系统达到热平衡时，辐射换热量为零，但热辐射仍然不 断进行。
2
热工学
2. 特点 • 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停 地向周围空间发出热辐射； • 可以在真空中传播； • 伴随能量形式的转变； • 具有强烈的方向性； • 辐射能与温度和波长均有关
3
热工学
二 热辐射具有电磁波的共性
1 f ＝C 2 电磁波谱
和产生投入辐射的物体，则物体1的吸收比为 吸收的总能量 投入的总能量
1＝
＝ f ( T1，T2，表面1的性质，表面2的性质 )
14
热工学
如果投入辐射来自黑体，则上式可变为
1＝ f ( T1，T2，表面1的性质)
15
热工学
物体的选择性吸收特性 • 太阳能集热器 • 太阳镜、防晒霜等 • 农业生产 • 多彩的世界 • 给工程中辐射换热的计算带来很大麻烦
•
•
实验室模型
9
热工学
带有小孔的温度均匀的空腔
•
•
小孔的孔径越小，越大；
温度均匀是为了保 证辐射均匀且各向 同性。
黑体模型
10
热工学
四 实际物体的吸收特性
1 投入辐射 G 吸收比
单位时间内从外界投射到表面单位表面积上的总辐射能
2
物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用表示，即
吸收的能量 投入的能量(投入辐射)
28
热工学
§6-4 角系数
一 角系数的定义
1 问题的引出
1 2 2
• 两表面之间的辐射换热量与它 们之间的相对位置有很大关系！
2 1
1
29
热工学
2 角系数的定义 • X1, 2 －表面 1 对表面 2 的角系数：表面 1 发出 的辐射能落到表面2上的份额 • X2, 1 －表面 2 对表面 1 的角系数：表面 2 发出 的辐射能落到表面1上的份额
Q Q Q Q Q Q Q 1 Q Q Q 1
absorptivity
图 物体对热辐射的吸 收、反射和穿透
reflectivity
transmissivity
6
热工学
对于大多数的固体和液体
只涉及表面
0, 1
• 怎么办？
认为E∝T4
由此引起的修正归入用实验方法确定的 中
因此 还与物体本身的温度有关
21
热工学
§6-2
热辐射定律
一 Stefan-Boltzmann’s Law
Eb T
4
T Eb C0 100
4
• －Stefan-Boltzmann常数 5.6710-8 W/(m2· K4)
bc ad ac bd
2ab
38
热工学
• 从已知推出未知 求 X1,2＝？ 由P.174图4-62可以查出
X A, 2 X A1,2
1
2
A
由角系数的可加性
X 2, A1 X 2, A X 2,1
X A1, 2
A A1 X A, 2 X 1, 2 AA1 AA1
A2 A A2 B X 2,1 X 2 A,1 X 2 B ,1 A2 A2
注意：子区域不能重叠！
35
热工学
四 角系数的计算
代数分析法 利用角系数的性质，通过求解代数方程组而 获得角系数的方法 • 三表面封闭系统 相对性 完整性 可加性
36
热工学
X 1, 2 X 1,3 1 X 2,1 X 2,3 1 X 3,1 X 3, 2 1 A1 X 1, 2 A2 X 2,1 A1 X 1,3 A3 X 3,1 A2 X 2,3 A3 X 3, 2
View factor, angle factor
30
热工学
二 讨论角系数的假定
1 两个假定
• 物体表面为漫射表面 • 在所研究表面的不同地点上向外发射 的辐射热流密度是均匀的
2 优点 • 角系数完全是一个几何因子 • 物体表面温度及发射率的改变只影响 发射的辐射能的绝对大小
31
热工学
三 角系数的性质
• 不仅取决于物体自身
• 还取决于投入辐射的特性
复杂！！！
11
热工学
3 光谱吸收比 • 物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数 • 单色吸收比 • 实际物体的选择性吸收的特性
12
热工学
13
热工学
根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表
面性质和温度有关外，还与投入辐射按波长的能
量分布有关。设下标1、2分别代表所研究的物体