传热学辐射换热

第二篇
传热学
第十章
辐射换热
本章主要内容
热辐射的基本概念 热辐射的基本定律 物体间的辐射换热
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10-1 热辐射的基本概念
一、热辐射的本质及特点 1.概念本质：
（1）辐射：物体向外发射电磁波的现象。 （2）热辐射：由于热的原因向外发射电磁波（图） 的现象。（是三种基本热传递方式之一） 热辐射的本质：物质具有温度
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三、灰体表面的有效辐射
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有效辐射 本身辐射 反射辐射
表面1的有效辐射：
J1 E1 1G1 1Eb1 (1 1 )G1
表面1与外界的辐射换热：
q J1 G1
上两式消去G1：对灰体α 1=ε
1
Eb1 J1 q1 1 1
1
Eb1 J 1 1 1 1 1 A1
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2.基尔霍夫定律
——反映任一物体的辐射力E和吸收率α 之间的关系.
E
结论：

Eb
①辐射力大的物体，其吸收率也大。 ②同温度下黑体的辐射力最大。 ③由黑度定义，可得基尔霍夫定律的另一表达式：
E Eb
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3.兰贝特定律**
——反映物体辐射能量按空间不同方向的分布 规律.
En
E
E En cos
Eb1
1 1 1 A1
J1
表面辐射热阻网络图
式中，(1-ε1)/ε1A1为表面辐射热阻，它是因表面不是黑体而产生的热阻， 其大小取决于表面因素，故是除黑体以外的物体所特有的辐射热阻。
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四、两灰体表面间的辐射换热
1, 2
Eb1 Eb 2 1 1 1 2 1 1 A1 A1 X 1,2 2 A2
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1, 2
1 1 1 A1
Eb1 Eb 2 1 2 1 A X 2 A2 1 1, 2
两种特例：
①两无限大平行灰体表面间：A1=A2，X1,2=X2,1=1
1, 2
( Eb1 Eb 2 ) A 1 1 1
12Βιβλιοθήκη 201, 2 1 1 1 A1
式中，Cb=5.67 W/(m2K4) ，为黑体的辐射系数。
实际物体的辐射力------引入修正系数(黑度)
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黑度ε：实际物体的辐射力与同温度下黑体辐
射力之比。
E Eb
式中，Eb为黑体的辐射力，E为实际物体的辐射力。
f (物体本身的性质 )
T 4 ) 实际物体的辐射力为：E Eb Cb ( 100
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10-2 热辐射的基本定律
一、热辐射能量的表示方法
辐射力E：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。(W/m2) 黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb.
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二、热辐射的基本定律
1.斯蒂芬—玻尔兹曼定律（四次方定律）
——反映黑体辐射力与温度的关系.
T 4 E b Cb ( ) 100

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10-3 物体间的辐射换热
影响辐射换热的因素有哪些？
（1）表面温度T；
（2）表面黑度ε ；
（3）几何因素（物体形状、大小及相对位置等）. 引入辐射角系数
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一、辐射角系数 1.角系数的定义：
表面 1 对表面 2 的角系数 X1,2 ：表面 1 投射到表面 2 上的辐射能，占表面1辐射总能量的百分比，即
ρ ——反射率；
τ ——穿透率.
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1
对于大多数的固体和液体：（表面辐射和吸收）
0, 1
对于不含颗粒的气体：（内部辐射和吸收）
0, 1
三种理想辐射体：
①黑体：α =1（如：煤烟接近于黑体） 人工黑体：空腔壁上的小孔可视为人工黑体，在 热辐射的分析中有其特殊的重要性。 （动画） ②白体：ρ =1（如：高度磨光的金属板） ③透明体：τ =1（如：双原子气体及纯净的空气等）
热辐射就是热射线的传播过程。 热射线：波长为0.1～1000μ m的电磁波。它包 含少量紫外线、可见光和红外线。
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2. 特点：
（与导热和对流换热相比）
① 是一种非接触的热传递方式，在空间的传递依 靠热射线为载运体； ② 任何物体无论温度高低都存在热辐射现象，即 热辐射是物质的固有属性； ③ 在辐射换热过程中伴随有能量形式的转变：
X 1, 2
表面1直接投射到表面 2上的辐射能 表面1所发出的总辐射能
同理，也可以定义表面2对表面1的角系数X2,1。
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2.角系数的性质：
基本性质：角系数只与 物体表面的形状、尺寸 以及物体间的相对位置 有关，而与物体的性质 和温度等无关，是纯几 何因子。 相对性：
A1 X1,2 A2 X 2,1
Eb1 Eb 2 1 2 1 A X 2 A2 1 1, 2
两种特例：
②空腔内包物体与空腔内壁 间：X1,2=1，X2,1=A1/A2. 当A1<<A2时，视A1/A2→0. （如电厂厂房内高温管道 的辐射散热属此情况）
的热辐射 到达表面

的热辐射 到达表面
表面1发出 表面 2发出
1, 2
Eb1 Eb2 2的部分 1的部分 Eb1 Eb 2 Eb1 Eb 2 辐射势差 1 1 1 A1 X 1, 2 空间辐射热阻 A1 X 1, 2 A2 X 2,1 黑体间的辐射换热网络图
式中，1/A1X1,2为空间辐射热阻，其大小完全取决于物体表面间的几何 关系，而与物体表面的性质无关，故是所有物体均具有的辐射热阻。
热能(一物体) 辐射能(电磁波携带) 热能(另一物体)
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二、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。 Q Q Q Q Q Q Q 1 Q Q Q
1
式中，α ——吸收率；
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相对性应用 ( A1 X1,2 A2 X 2,1 )
对两相距很近的大平板：X1,2=X2,1=1
对空腔内包物体（为平表面或凸表面）时： X1,2=1，X2,1=A1/A2
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二、两黑体表面间的辐射换热
1, 2 A1 Eb1 X 1, 2 A2 Eb 2 X 2,1 A1 X 1, 2 ( Eb1 Eb 2 )