工程热力学与传热学：第十一章 辐射换热
传热学-辐射换热PPT课件
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
工程热力学与传热学-§11-4 辐射换热的计算方法
X 1, 2
12
A1Eb1
1
A1
A1
A2
cos1 cos2 r2
dA1dA2
1
A2
A1
A2
cos1 cos2 r2
dA1dA2
可以看出，在上述假设条件下，角系数是几何量，只取
决于两个物体表面的几何形状、大小和相对位置。
（2）角系数的性质
1）相对性（互换性）
2）完整性：
2）代数法： 利用角系数的定义及性质, 通过
代数运算确定角系数。
图(a)、(b)： X1,2 1
A1 X1,2 A2 X 2,1
X 2,1
图(c)
： X1,2
X1,2a
A2a A1
A1 A2
图(d) ：X1,2 X 2,1 1
三个非凹表面构成的封闭空腔
6
§11-4 辐射换热的计算方法
对于黑体表面，=1，表面辐射热阻
为零， J Eb 。
表面辐射热阻网络单元
（2）两个漫灰表面构成的封闭空腔中的辐射换热
若两个漫灰表面1、2构成封闭空腔,
T1>T2，则表面1净损失、表面2净获得的
热量分别为
1
Eb1 J1
1 1
2
J2 Eb2
12
A11
A2 2
11
§11-4 辐射换热的计算方法
A11 A1 X1,2 A2 2
两表面封闭空腔的 辐射网络 ：
12
§11-4 辐射换热的计算方法
对于两块平行壁面构成的封闭空腔：
A1 A2 A
X1,2 X 2,1 1
12
工程热力学与传热学第十一章
在温度T2=627℃时，其辐射力
T2 627 273 2 Eb2 C0 5.67 37.2 W / m 100 100
T Eb C0 100
4
(11 6)
【例11-2】把一黑体表面置于室温为27℃的房间中，
问在热平衡条件下黑体表面的辐射力是多少?若将
黑体加热到627℃，其辐射力又为多少?
解：在热平稳条件下黑体温度与室温相同。此 时其辐射力为
T 27 273 2 Eb1 C0 1 5.67 459 W / m 100 100
max T为6000K时，
热辐射的基本定律
2.斯蒂芬——玻耳兹曼定律 在计算辐射换热时，我们更关心的是黑体的辐 射力 Eb 与温度 T 的关系，即 Eb=f(T) ，由式 (11-2) 和 式 (11-3) 及图 11-3 可见， Eb 即为能量分布曲线与横 坐标所包围的面积，即
Eb
0
物体对热辐射能的吸收、反射和穿透
由此可见:若物体的吸收能力大，则其反射本领 就小，由于此类物体的吸收和反射均系在其表面 进行，故其表面状况对它们的有关特性影响甚大。 气体的情况则有别于此，因气体对辐射能几乎 没有反射能力，可认为ρ=0，此时 α+τ=1 显然，吸收性好的气体，其透射性就差，同时， 气体的辐射和吸收是在整个气体容积中进行的， 这一点和固、液体也不相同。
E C1 5 e
C2 T
(W / m 2 )
(11 3)
1
式中:
λ——波长，m T——黑体的热力学温度，K C1——常数，其值为3.743×10-16W· m2 C2——常数，其值为1.4387×10-2W· K
《传热学辐射换热》PPT课件
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
工程热力学习题 第十一章 辐射换热
工程热力学与传热学第十一章辐射换热习题1.何谓黑体，灰体？引入黑体，灰体的概念对热辐射理论及辐射换热计算有何意义？2.何谓发射率(黑度)，吸收比？写出其定义式。
3.何谓辐射力，辐射强度，有效辐射？4.何谓光谱辐射力？写出它与辐射力之间的关系式。
5.何谓漫发射表面？漫发射表面的辐射力与辐射强度有何关系？6.简述普朗特定律，维恩位移定律的主要内容。
7.请写出斯沁藩-玻耳兹曼定律的表达式。
8.简述基尔霍夫定律的主要内容，写出表达式，说明其适用条件。
9.有人说：“颜色愈黑的物体发射率愈大”。
正确吗？为什么？10.太阳能集热器表面一般涂黑色，以加强对太阳辐射的吸收，是否可以将暖气片表面涂成黑色来增加其辐射散热量？11.何谓角系数？角系数是物理量还是几何量？12.何谓角系数的相对性，完整性和可加性？试用表达式加以说明。
13.绘出3个灰体表面组成的封闭空腔的辐射换热网络，并说明什么是表面辐射热阻，空间辐射热阻？14.简述遮热板的原理。
15.何谓大气“温室效应” ？为什么减少CCh的排放就可以降低温室效应？16.发射率分别为0.3和0.5的两个大平行平板，其温度分别维持在800 °C和370C,在它们之间放置一个两面发射率均为0.05的辐射遮热板。
试计算：(1)没有辐射遮热板时，单位面积的辐射换热量是多少？(2)有辐射遮热板时，单位面积的辐射换热量是多少？(3)辐射遮热板的温度。
习题课有效辐射的计算17.两块平行放置的平板表面发射率均为0.6,其板间距远小于板的宽度和高度，且两表面温度分别为圮427 °C, t2=27 °C。
试计算：(1)板1的自身辐射；(2)对板1的投入辐射；(3)板1的反射辐射；(4)板1的有效辐射；（5）板2的有效辐射；（6）板1, 2间的辐射换热量。
18.两块平行放置的钢板之间的距离与其长和宽相比，可以忽略不计，己知它们的温度和发射率分别为tL427 °C, &二27 °C,八二八二0.8。
热工基础 11 第十一章 辐射换热
（2）如物体的吸收率和发射率与温度有关，则 二者只有处于同一温度下的值才能相等； （3）投射辐射源必须是同温度下的黑体。
Fundamentals of thermal engin
辐射换热的计算方法
表面间的辐射换热与表面几何形状、大小和各表 面的相对位置等几个因素均有关系，这种因素常用角 系数来考虑。角系数的概念是随着固体表面辐射换热 计算的出现与发展，于20世纪20年代提出的，它有很 多名称，如形状因子、可视因子、交换系数等等， 但叫得最多的是角系数。值得注意的是，角系数只对 漫射面(既漫辐射又漫发射)、表面的发射辐射和投射 辐射均匀的情况下适用。
角系数的应用是有一定限制条件的，即漫射面、 等温、物性均匀。
Fundamentals of thermal engineering
热
工
基
础
11-4
辐射换热的计算方法
2. 角系数性质 （1） 相对性
A1 X1,2 A2 X 2,1
（2） 完整性 对于有n个表面组成的封闭系统， 据能量守恒可得：
X1,1 X1, 2 X1,3 X1, n X1,i 1
E 发射率（黑度）： Eb
发射率反映了物体发射辐射能的能力的大小。
光谱发射率（光谱黑度）：
E Eb
发射率与光谱发射率之间的关系为
Fundamentals of thermal engineering
热 工
基
0
Eb d
Eb
础
11-3 实际物体的辐射特性，基尔霍夫定律
对于灰体，＝常数
Eb d
0
Eb
光谱辐射力随波长的变化
《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。
热力学系统的热辐射与辐射换热
热力学系统的热辐射与辐射换热热辐射是一个热力学系统中的重要现象，它是指物体通过电磁波辐射能量的过程。
在热力学中，热辐射是一种能量传递方式，它与传导和对流相互作用，共同影响着热系统的热平衡和能量转换。
辐射换热是指热辐射通过物体表面与周围物体发生的能量交换。
在热力学系统中，辐射换热是热系统与环境之间的关键热交换方式之一。
本文将从热辐射的基本原理、辐射换热的特性和影响因素等方面阐述热力学系统中的热辐射与辐射换热的相关知识。
一、热辐射的基本原理热辐射是由物体的热运动引起的，所有物体在温度不为零时都会以某种形式发射热辐射。
热辐射的特征是以电磁波的形式传播，波长范围从长波红外线到短波紫外线。
根据“黑体辐射”的理论，完美的黑体是指吸收所有辐射能量的物体，而不反射或透射任何辐射。
根据黑体辐射的性质，斯特法能定律描述了热辐射的强度和波长之间的关系。
同时，普朗克提出了量子化假设，解释了辐射能量的离散化现象，即辐射能量以能量子的形式进行传输。
二、辐射换热的特性辐射换热是热系统与环境之间的重要热交换方式，具有以下特性：1. 无需介质传导：辐射换热是通过电磁波的传播实现的，与传导和对流不同，它不需要介质的存在来传递热量。
2. 波长和温度关系：热辐射的强度与物体表面的温度有关，而且随着温度的升高，发出的辐射能量也会增加。
根据斯特法能定律，高温物体主要辐射短波辐射，而低温物体主要辐射长波辐射。
3. 吸收与反射：物体表面对热辐射的吸收和反射特性也会影响辐射换热过程。
高吸收率的物体能够有效地吸收外界的辐射能量，并转化为热量。
相反，高反射率的物体则会减少吸收辐射能量的能力。
三、影响辐射换热的因素辐射换热的强度主要受以下因素的影响：1. 温度差异：温度差异是推动辐射换热的主要力量之一。
温度差异越大，辐射换热的强度也会相应增加。
2. 表面特性：物体表面的特性直接影响辐射换热的效果。
粗糙表面相对于光滑表面来说，具有更高的吸收和发射能力，因此可以更好地进行辐射换热。
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区别
黑体，白体不同于黑色物体，白色物体。
例如
✓ 白雪 ： 0.94 （接近黑体）； ✓ 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。
11—2 黑体辐射的基本定律
普朗特定律，维恩位移定律， 斯忒藩-波耳兹曼定律，兰贝特定律。
11-2-1 普朗特定律
1. 辐射力和光谱辐射力
镜反射
✓镜反射 (Specular reflection) ✓漫反射 (Diffuse reflection)
热辐射投射到气体表面上：
漫反射
1 0
容积性
漫射表面： 漫反射和漫发射
11-1-2 黑体，镜体和绝对透明体
绝对黑体（黑体）： 1 镜体（白体）： 1 绝对透明体： 1
吸收，发射 辐射能能力最强
辐射力 (Emissive power) 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 该物体表面的辐射力。E，W/m2
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
所有方向发射波长λ到λ+dλ范围的辐射能， 称为该物体表面的辐射力。Eλ，W/m3
推导
可得:
当温度不变时:
dEb 0
d
mT 2.8976 10 3 2.910 3
mK
举例 计算温度分别为2000K 和5800K的黑体 与Ebλ,max对应的λｍ。
解：由维恩位移公式：
说明
T 2000K , T 5800K ,
m
2897.6 2000
1.45
m
m
2897.6 5800
0.5
Eb
➢式中: 0 – 黑体辐射常数
0 5.67 108 W /(m2 K 4 ) 0
另一种形式:
T Eb
黑体的辐射力
Eb
C0
(T 100
)
4
W
/
m2
➢式中: C0 – 黑体辐射系数 C0 5.67 W /(m2 K 4 )
举例 计算黑体表面温度为27℃ 和627℃时 的辐射力 Eb。
第十一章 辐射换热
第十一章 辐射换热
内容要求
掌握热辐射的基本概念； 掌握黑体，黑体辐射的基本定律； 实际物体的辐射特性，基尔霍夫定律；
11—1 热辐射的基本概念
热辐射： 物体由于受热而向外发射辐射能的现象。
热辐射的波长范围 理论上 ：0— 整个波谱； 日常生活, 工业上常见的温度范围内
700K 600K
500K
λ一定时，
T , Eb , Eb
200
Eb 0 [W /(m2 m)]
400K
300K 2 4 6 8 10 102 14 16 18
/ m 黑体的光谱辐射力
随T的升高，Ebλ对应的波长λｍ向短波迁移。
11-2-2 维恩位移定律
光谱辐射力为 Ebλ,max时，λｍ和 T 之间的关系。
某一波长的投入辐射Gλ： G G G G
1 G G
G G
G G
光谱吸收比αλ(Absorptivity) 光谱反射比ρλ (Reflectivity)
光谱透射比τλ (Tranmissivity)
2 不同物体表面的辐射特性
热辐射投射到固体，液体表面上： n
1 0
表面性
两种反射现象：
内发出的辐射能量。
L( ,) d
n
W /(m2 sr)
dф
dAcosd
θ
dA2
对各向同性物体表面：
dΩ
L( ,) L( )
dA1
dA1cosθ
光谱辐射强度 L ( ) ：
L( ) 0 L ( )d
则波段内黑体辐射力：
Eb(1 2 ) [Fb(02 ) Fb(01 ) ]Eb
11-2-4 兰贝特定律
1. 立体角
A r2
sr 球面度
对整个半球：
A 2r 2 2 sr
对微元立体角：
d
dA r2
s in dd
sr
n θ
dΩ r dA1
立体角定义
dθ dA2
φ dφ
r sind
rd
dA2
2. 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
m
✓ 工业上一般高温范围（2000K以下）时， 与Ebλ,max对应的λｍ位于红外线区段；
✓ 温度近于太阳表面温度（5800K）时， 与Ebλ,max对应的λｍ位于可见光区段。
11-2-3 斯忒藩-波耳兹曼定律
1879年斯忒藩（实验）,1884年波耳兹曼（理论） 确定了黑体的 Eb与 T的关系。
Eb 0T 4
E 0 E d
对黑体辐射： Eb Eb
2. 普朗特定律 1900年，普朗特确定黑体辐射的光谱分布规律。
Eb
C15
C2
e T 1
Eb f (,T )
不同温度下黑体的光谱辐射力随波长的变化：
T一定时， : 0 ~ m ~
Eb : 0 ~~ Eb,max ~~ 0
1200 1000 800 700K 600 400
11-1-1 吸收，反射和透射
1 吸收比，反射比和透过比
投入辐射G： 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。W/ｍ2
根据能量守恒：
G
G
G G G G
或： 1
G
G
G
GGG
G
G
物体对热辐射的 吸收，反射与透过 射
吸收比α(Absorptivity) 反射比ρ(Reflectivity) 透射比τ(Tranmissivity)
解：黑体表面温度为27℃时：
Eb1
C0
( T1 )4 100
5.67 (27 273)4 100
459 W
/
m2
黑体表面温度为627℃时：
分析
Eb2
C0
( T2 )4 100
5.67(627 273)4 100
37.2 103
W
/
m2
T2 3, Eb2 81
T1
Eb1
说明 高温和低温两种情况下，
黑体的辐射能力有明显的差别。
波段内黑体辐射力：
Eb 0 Eb d
实际问题： E E d b(12 )
2 1 b
引入辐射比 Fb(1 2 )
Eb
0
1
2
黑体波段内的辐射力
F b(12 )
E d 2
1
b
0 Eb d
1
0T 4
E d 2
1
b
F F b(02 )
b(01 )
其中： Fb(Βιβλιοθήκη ) 为黑体辐射函数（表11-1）：0.1— 100 µ m， 包括部分紫外线，可见光，部分红外线； 工业上常见温度范围T≤2000K时：
：0.1— 10 µ m
辐射换热（Radiation heat transfer）
发射，吸收 辐射能
T1
q 1,net
q
2,net
T
2
➢ 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。