传热学-第6章 热辐射及辐射传热

人工黑体模型
二、 普朗克定律
C1= 3.743×10-16 Wm2 ; C2 = 1.439×10-2 mK。
λ-波长，m；T－温度，K。
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（1）温度愈高，同一波长下的光谱辐射力愈大； （2）在一定的温度下，黑体的光谱辐射力在某一波长下具有 最大值；
（3）随着温度的升高，Eb取得最大值的波长max愈来愈小， 即在坐标中的位置向短波方向移动。
电磁辐射波谱
热辐射: 由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射。
包括太阳辐射（5800K）在内，热辐射的波长主要位于0.1～100μm的波长范围内， 此区段内的电磁波称为热射线。而在工程温度范围内（一般在2000K以下），热 辐射的能量主要集中在0.38～100μm的波段范围内，且大部分能量都集中在0.76～ 20μm 的红外线区段。
第6章 热辐射及辐射传热 Radiation Heat Transfer
6.1 热辐射的基本概念 6.2 黑体辐射基本定律 6.3 实际物体的辐射特性 6.4 角系数 6.5 灰体表面间的辐射传热 6.6 遮热板及其应用 6.7 辐射传热系数
6.1 热辐射的基本概念
6.1.1 热辐射 辐射: 辐射是物体通过电磁波的传递能量的现象。 可见光 0.38～0.76μm
反射辐射
单位面积物体表面上的全波长范围
内的辐射能。G w/m2
吸收辐射: G w/m2 反射辐射: G w/m2 透射辐射: G w/m2
吸收辐射
透射辐射
物体的吸收、反射和穿透
吸收比
反射比
透射比
6.1.4 吸收、反射与透射
根据能量守恒
G G G G
投入辐射
反射辐射
G G G 1 GGG
这部分能量全部被表面1所吸收。
两黑体间的辐射换热量为：
Φ1,2 Eb1 A1 X 1,2 Eb2 A2 X 2,1
T1 T2 时
Eb1 Eb2 Φ1,2 0
A1 X 1,2 A2 X 2,1
2、角系数的完整性
对于有n个表面组成的封闭系统，据能量守恒有:
n
X1,1 X1,2 X1,3 X1,n
T 2000K,
m
2898 2000
1.45m
T 300K,
m
2898 300
9.66m
四、斯忒藩－波尔兹曼定律
Stefan-Boltzmann定律（1879年、1884年）
Eb T 4
σ= 5.67×10-8 w/(m2K4)
Ludwig Boltzmann 1844～1906
σ称为斯忒藩－波尔兹曼常数，又称为黑体辐射常数。
1
吸收比 反射比 透射比
对于大多数的固体和液体
吸收辐射
透射辐射
物体的吸收、反射和穿透
0, 1
对于不含颗粒的气体
投射辐射是一种表面现象
0, 1
空气、单原子气体、具有对称结构的双原子气体 0
1
非参与性气体
6.1.4 吸收、反射与透射 理想辐射体
G
透明体 1
镜体或白体 1 黑体 1
黑体、白体与日常生活中所说的黑色物体、白色物体不同， 颜色只是对可见光而言，而可见光在热辐射的波长范围内只占很 小部分，所以不能凭物体颜色的黑白来判断它对热辐射吸收率的 大小。
6.2 黑体辐射基本定律
一、 黑体模型
黑体概念的重要意义：
由于实际物体的热辐射特性和规律非常复 杂，黑体辐射相对简单，所以人们首先研究黑 体辐射的性质和规律，再把实际物体的辐射特 性与之比较，找出与黑体辐射的区别，就可以 将黑体辐射的规律进行修正后用于实际物体。
三、维恩位移定律(1893年)
maxT 2.8976 10 2 2.9 10 2 m K
黑体辐射曲线
用它可测定太空星体表面温度，也可用来选择对特定地物的监测波段，如火灾检测。 解释现象：一铁块放入高温炉中加热，从辐射的角度分析铁块的颜色变化过程。
T 5800K,
m
2898 5800
0.5m
斯忒藩—玻耳兹曼定律说明黑体的辐射力Eb与热力学温 度T的四次方成正比，故又称为四次方定律。
斯忒藩—玻耳兹曼定律表达式可直接由下式导出 ：
Eb
0 Ebd
0
C15
eC2 /(T ) 1
d
6.3 黑体表面间的辐射换热与角系数
一、角系数的定义 表面1对表面2的角系数
二、角系数的性质
表面相对位置对辐射传热的影响
6.1.2 辐射传热
辐射传热: 物体不断地向外界发出热辐射，同时，物体也不断 地吸收周围物体投射到它表面上的热辐射，辐射传热就是指物 体之间相互辐射和吸收的总效果。
辐射换热是辐射与吸收的综合效果
辐射换热特点： （1）物体间不需要其他介质存在，真空中效率最高 （2）伴随着能量形式的转换：内能－辐射能－内能
X1,i 1
i 1
若表面1为非凹表面，X1,1 = 0
3、角系数的可加性
表面2可分为A和B两个面，根据能量守恒有： 1,2 1, A 1,B
A1Eb1 X1,2 A1Eb1 X1, A A1Eb1 X1,B
X1,2 X1,A X1,B
角系数的可加性
三、角系数的确定 •积分法
根据角系数的定义直接进行积分运算，由于积分过程复杂，故工程计算中较少采用。
6.1.3 光谱辐射力和辐射力
光谱辐射力Eλ : 单位时间内，物体的单位表面积向半球 空间发射的某一波长的能量, (W/m3)
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)
E 0 Ed
6.1.4 吸收、反射与透射
投入辐射
投入辐射: 单位时间内投射到
X 1, 2
离开表面1到达表面 2的辐射能 离开表面1的总辐射
1、角系数的互换性（相对性）
A1 X1,2 A2 X 2,1
角系数 纯属几何因子，它反映了两个表面的可视程度，只 取决于两个表面的几何特性（形状、尺寸及相对位置）
两个黑体表面间进行辐射换热
从表面1发出落到表面2的辐射能为：Eb1A1X1,2 这部分能量全部被表面2所吸收。 从表面2发出落到表面1的辐射能为：Eb2A2X2,1
•查图法
工程上常见的典型几何结构的辐射系统，已将其角系数绘制成曲线，可查图求得。
平行长方形表面间的角系数
相互垂直的两长方形表面间的角系数
•代数分析法
利用角系数的性质，获得一组代数方程，通过求解获得角系数。
例：三个非凹表面组成封闭系统，假设在垂直于纸面的方向上为无限长， 忽略 端部效应。 X1,1= X2,2= X3,3= 0