传热学-8-辐射传热课件.ppt

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1、第八章 辐射传热1、重点内容：热辐射现象的基本概念；黑体热辐射的基本定律；固体和液体的辐射特性；实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系；角系数的定义及计算，辐射传热计算。2、掌握内容：基本概念及定律。3、了解内容：气体辐射。8-1 热辐射的基本概念一 热辐射的本质、基本概念辐射：发射辐射能是各类物质的固有特性。当原子内部的电子受温和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发出电磁波向空间传播。热辐射：由于自身温度或热运动的原因而激发产生的电磁波传播。2、特点：a）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；b）不需要介质，可以在真空中传播；c）伴随能量形式的转变（热力学能与辐射能）；d

2、）具有强烈的方向性；e）辐射能与温度和波长均有关；f）发射辐射取决于温度的4次方。8-1 热辐射的基本概念、电磁波谱 电磁辐射包含了多种形式，工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.1100m。8-1 热辐射的基本概念电磁波：交变电磁场在空间的传播。与弹性介质中的机械波不同，电磁波的传播不需要介质，且传播速度等于光速。电磁波传播速度、频率与波长的关系：c=真空 c3108 m/s频率 波长8-1 热辐射的基本概念电 磁 辐 射 波 谱工业领域温度范围（2000K）的热射线:0.7620m 可见光（0.380.76m）;红外线（0.761000m;微波（1mm1m）;计及太阳辐射（5800K）的热

3、射线:0.1100m8-1 热辐射的基本概念二 吸收比、反射比和透射比 投入辐射：单位时间内投射到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 一般：固、液对热辐射是不透射的，即 气体几乎无反射，即 黑体（绝对黑体）：白体（绝对白体）：绝对透热体：吸收比 反射比反射比透射比透射比8-1 热辐射的基本概念8-1 热辐射的基本概念三 辐射力和有效辐射 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)实际物体的辐射力：投入辐射G：单位时间内投射到单位面积上的总辐射 能。有效辐射J：

4、单位时间内离开单位面积的总辐射能为 该表面的有效辐射，包括了自身的发射 辐射E 和反射辐射G。四 定向辐射度 辐射面积：一表面在某一方向的可见辐射面积，它是该表面在该方向上的投影。可见辐射面积平面角：用圆周定义，单位是rad（弧度）。8-1 热辐射的基本概念立体角：球面面积除以球半径的平方，单位：sr(球面度)。dAs 定向辐射度 Lp：单位时间内，单位可见辐射面积在某一方向 p 的单位立体角内所发出的辐射能（包括发射辐射和反射辐射）。8-1 热辐射的基本概念兰贝特定律：黑体辐射的定向辐射度与方向无关。（余弦定律）LpL constd立体角内的辐射力（定向辐射力）：8-1 热辐射的基本概念五

5、漫射表面 镜反射：反射角等于入射角。光滑的金属表面,玻璃，塑料等。漫反射：被反射的辐射能均匀分布在各个方向上。粗糙的金属表面近于漫射面。8-2 黑体辐射的基本定律一 黑体和黑体模型黑体是一种理想物体。人工黑体模型光谱辐射力E：单位时间内，单位波长范围内(包含 某一给定波长)，物体的单位表面积 向半球空间发射的能量。(W/m3)式中，波长，m；T 黑体温度，K；c1=3.74210-16 W m2；c2=1.438810-2 W K；（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

6、来愈 小，即在 坐标中的位置向短波方向移动。特点：二 普朗克（Planck）定律8-2 黑体辐射的基本定律维恩（Wien）位移定律 太阳表面温度约为5800K，由上式可求得 max=0.5 m，位于可见光范围内，可见光占太阳辐射能的份额约为44.6%。对于2000K温度下黑体,可求得 max=1.45 m，位于红外线范围内。8-2 黑体辐射的基本定律三 斯忒藩玻耳兹曼定律 式中 b=5.6710-8 W/(m2K4)，称为斯忒藩-玻耳兹曼常数，又称为黑体辐射常数。cb=5.67 W/(m2K4)，黑体辐射系数。（四次方定律）黑体辐射函数黑体在波长1和2区段内所发射的辐射力特定波长区段内的黑体辐

7、射力、Stefan-Boltzmann定律：描述黑体在某一温度下向半球空间所有方向辐射的全部波长的能量，即对方向和波长都积分的结果；、Planck定律：描述黑体在某一温度下向半球空间所有方向辐射的能量沿波长分布的规律，即只对方向积分，但研究的是某一波长；、Lambert定律：描述黑体在某一温度下所辐射的全部波长的能量沿半球空间方向上的分布规律，即只对波长积分，但研究的是某一方向。黑体辐射定律小结8-3 实际物体和灰体的辐射一 实际物体1 发射特性黑体的发射特性：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；真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；发射率(也称为黑度)：相同温度下

8、，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:发射率反映了物体发射辐射能的能力的大小。8-3 实际物体和灰体的辐射光谱辐射力随波长的变化光谱发射力随波长的变化上面公式只是针对方向和光谱平均的情况，但实际上，真实表面的发射能力是随方向和光谱变化的。光谱发射率：实际物体的光谱辐射力与同温度下黑体的光谱辐射力之比。定向发射率（定向黑度）几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率（）（t=093.3）影响物体发射率的因素物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。黑体、灰体、白体等都是理想物体，而实际物体的辐射特性并不完全与这些理想物体相同，

9、比如：(1)实际物体的辐射力与黑体和灰体的辐射力有差别；(2)实际物体的辐射力并不完全与热力学温度的四次方成正比；(3)实际物体的定向辐射强度也不严格遵守Lambert定律等等。所有这些差别全部归于发射率（黑度），因此，它们一般需要实验来确定。8-3 实际物体和灰体的辐射2 吸收特性物体辐射换热热辐射的发射热辐射的吸收与温度和表面状况有关，与外界条件无关，是物性参数与外界条件有关选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变化。光谱吸收比（单色吸收比）：物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数。光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特

10、性。8-3 实际物体和灰体的辐射实际物体光谱吸收比与波长的关系实际物体的选择性吸收使得计算十分复杂（简化）灰体8-3 实际物体和灰体的辐射二 灰体光谱辐射力随波长的变化光谱发射力随波长的变化 实际物体发射率数值大小取决于材料的种类、温度和表面状况，通常由实验测定。与黑体类似，灰体也是一种假想的理想物体。对于大部分工程热辐射问题来讲，温度范围3002000K之间，光谱能量主要在红外区域，灰体假设带来的误差是可以接受的。即对于大部分红外波段的工程热辐射问题，可以将物体视为灰体。8-3 实际物体和灰体的辐射引入漫射表面（体）的假设可忽略实际物体发射辐射能的空间分布特性，引入灰体的假设可忽略实际物体选

11、择性吸收投入辐射的特性。8-3 实际物体和灰体的辐射三 基尔霍夫定律平行平板辐射换热两板相距很近，从一块板发出的辐射全部落到另一块板上。板1为黑体表面：Eb、Tb板2为无透射的任意表面：、T当系统处于热平衡时，有基尔霍夫定律的表达式之一。该式说明，在热力学平衡状态下，物体的吸收率等于它的发射率。上式具有如下限制：（1）整个系统处于热平衡状态；（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。8-3 实际物体和灰体的辐射（1）具有漫反射特性的灰体严格满足基尔霍夫定律漫灰体（2）大多数工业领域温度范围内（2000K）的物体均可视为漫

12、灰体。说明：8-3 实际物体和灰体的辐射（3）研究物体表面对太阳辐射的吸收时不适用。大多数物体对于太阳辐射可见光的吸收具有较强的选择性，例白漆、黑漆常温下发射率0.9，但是吸收比差异大。1.太阳能集热器；2.温室效应：暖房：玻璃对太阳辐射具有强烈的选择性吸收大部分太阳辐射（0.22m）穿透玻璃，而内部的物体热辐射（3m）穿透率低。地球：CO2、CFC制冷剂（R12等）对3m的红外波段吸收率高，而对于太阳辐射穿透率高 温室效应。8-4 角系数 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

13、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(既漫辐射又漫反射)、表面的发射辐射和投射辐射均匀的情况下适用。一 角系数8-4 角系数角系数：表面1发射的辐射能落到表面2上去的百分数，用符号X1,2 表示。一 角系数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。角系数纯系几何因子，与物体性质和温度条件无关。8-4 角系数二 确定角系数的方法三（1）从角系数的定义出发直接计算；四（2）积分法；五（3）查曲线图；六（4）代数分析法；七（5）投影法或几何图形法。1,2平行长方形间的平均角系数1,2两相互垂直且

14、具有共同边的长方形间的角系数8-4 角系数8-4 角系数1,2两同轴平行圆盘间的角系数 8-4 角系数三 角系数的特性（1）相对性 若表面1为非凹表面时，X1,1=0。角系数的完整性（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：8-4 角系数注意：上图中的表面2对表面1的角系数不存在上述的可加性。（3）可加性（分解性）角系数的可加性表面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8-4 角系数四 用代数法求解角系数 注意：利用该方法的前提是系统一定是封闭的，如果不封闭可以做假想面，令其封闭。代数分析法：利用角系数的各种性质，获得一组代数方程，通过求解获得角系

15、数。六个方程可解的六个角系数值。三个表面组成的封闭系统8-4 角系数例1：例2：两个非凹表面及假想面组成的封闭系统 上述方法又被称为交叉线法。注意：这里所谓的交叉线和不交叉线都是指虚拟面断面的线，或者说是辅助线。8-5 封闭系统中灰体表面间的辐射传热一 组成辐射网络的基本热阻代入1 表面辐射热阻8-5 封闭系统中灰体表面间的辐射传热2 空间辐射热阻（几何热阻）黑表面1和2之间的辐射换热量为8-5 封闭系统中灰体表面间的辐射传热二 两个灰体表面组成的封闭系统的辐射热阻两个物体组成的辐射换热系统8-5 封闭系统中灰体表面间的辐射传热8-5 封闭系统中灰体表面间的辐射传热或：系统黑度s三种特殊情形(

16、1)表面1为凸面或平面，此时，X1,21，于是(2)表面积A1比表面积A2小得多，即A1/A2 0 于是(3)表面积A1与表面积A2相当，即A1/A2 1 于是8-5 封闭系统中灰体表面间的辐射传热三 遮热板强化辐射换热的主要途径有两种：(1)增加发射率；（2）增加角系数。削弱辐射换热的主要途径有三种：（1）降低发射率；（2）降低角系数；（3）加入遮热板。为了减少两表面之间的辐射换热量，可在辐射表面之间设置辐射屏，即在平行平板之间插入一块金属薄板（遮热板）。8-5 封闭系统中灰体表面间的辐射传热无遮热板时有遮热板时8-5 封闭系统中灰体表面间的辐射传热 1.遮热板的作用：在整个辐射换热中净辐射

17、换热量为0，即遮热板既不向原系统放出热量，也不从中吸收热量，只是在热流通路中增大了原系统的热阻，使换热表面之间的辐射换热受到阻碍。8-5 封闭系统中灰体表面间的辐射传热已知：两个大平板A1,A2，温度T1,T2，发射率1,2，中间放置遮热板T3(T3=T3),3=3 分析：无、有遮热板时辐射换热量的变化。（1）无遮热板时：2.分析有无遮热板时辐射换热量的变化8-5 封闭系统中灰体表面间的辐射传热（2）有遮热板时简化考虑：8-5 封闭系统中灰体表面间的辐射传热（1）加 1 块发射率与平板相同的遮热板后，（2）加 n 块发射率与平板相同的遮热板后，（3）工程中选用反射率高，发射率小的材料 做遮热板

18、，即：结论：遮热板的几个应用：（1）在汽轮机中用于减少内、外套管间的辐射换热量；（2）应用于储存液态气体的低温容器对储存液氮、液氧等容器，为了提高保温效果，采用多层屏壁并抽真空。遮热板用塑料薄膜制成，其上涂以反射比很大的金属箔层。箔层厚度约0.01-0.5mm，箔间嵌以质轻且导热系数小的材料作分隔层，绝热层中抽成高度真空。遮热板的几个应用：（3）用于超级隔热油管石油在地层下数千米，粘度大，开采时需注射高温高压蒸汽使其粘度降低。为减少蒸汽散热损失，可采用类似低温 保温容器的多层遮热板并抽真空。遮热板的几个应用：（4）用于提高温度测量的准确度如使用裸露热电偶测量高温气流的温度，高温气流以对流方式把

19、热量传给热电偶，同时热电偶又以辐射方式把热量传给温度较低的容器壁。在热平衡时，热电偶温度不再变化，此温度为指示温度，它必低于气体的真实温度。使用遮热罩抽气式热电偶时，热电偶在遮热罩保护下辐射散热减少，抽气作用可增加对流换热，减少测量误差。为使遮热罩能对热电偶有效地起屏蔽作用，s/d应大于22.2。四 多个灰体表面组成封闭系统时的辐射传热 网络法：在由多个灰表面组成的辐射换热系统中，利用辐射热阻的概念，可以给出辐射换热系统的网络图。3个灰表面间的辐射网络4个灰表面间的辐射网络（1）绘出辐射网络图 基尔霍夫定律：流入每个节点的电流（热流）的总和为零。三个灰体的情况：（2）列出节点的电流方程例：已知

20、：三个表面温度T1,T2,T3；以及A1,A2,A3,1,2,3,X1,2,X1,3,X2,3。求：每个表面的有效辐射J1,J2,J3和 净辐射热量1,2,3。（3）求解代数方程组，计算各表面的有效辐射（4）计算每个表面的净辐射传热量五 三个表面封闭系统的两种特殊情形（1）有一个表面为黑体表面黑体的表面热阻为零，该表面的温度一般是已知的。五 三个表面封闭系统的两种特殊情形（2）有一个表面为重辐射面表面绝热，即该表面的净换热量为零。与黑体不同的是，此时该表面的温度是未知的,并由其他两个表面决定。同时，它仍然吸收和发射辐射，只是发出的和吸收的相等。由于热辐射具有方向性，因此，他仍然影响其它表面的辐

21、射换热。这种表面温度未定而净辐射换热量为零的表面被称为重辐射面。8-6 气体辐射及其与包壁间的辐射传热 本节将简要介绍气体辐射的特点、换热过程及其处理方法。在工程中常见的温度范围内，CO2 和水蒸气具有很强的吸收和发射热辐射的本领，而其他的气体则较弱。1 气体辐射的特点(1)气体辐射对波长具有选择性。它只在某谱带内具有发射和吸收辐射的本领，而对于其他谱带则呈现透明状态。CO2 和H2O的主要吸收谱带(2)气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的。这是由于辐射可以进入气体，并在其内部进行传递，最后有一部分会穿透气体而到达外部或固体壁面，因而，气体的发射率和吸收比还与容器的形状和容积大小有关。1 气体

22、辐射的特点光谱辐射穿过气体层时的衰减 当热辐射进入吸收性气体层时，因沿途被气体吸收而衰减。为了考察辐射在气体内的衰减规律，假设投射到气体界面 x=0 处的光谱辐射强度为，通过一段距离x后，该辐射变为。再通过微元气体层 dx 后，其衰减量为。理论上已经证明，与行程 dx 成正比，设比例系数为，则有2 气体辐射的衰减规律式中，负号表示吸收，为光谱衰减系数，单位为 m-1，它取决于气体的种类、密度和波长。对上式进行积分可得即贝尔（Beer）定律式中，s 是辐射通过的路程长度，常称之为射线程长。从上式可知，热辐射在气体内呈指数规律衰减。2 气体辐射的衰减规律3 气体辐射的光谱吸收比、光谱发射率贝尔公式

23、可以写为光谱穿透比对于气体，根据基尔霍夫定律，光谱发射率为工程中作为关心的是确定气体所有谱带内辐射能量的总和。于是需要首先确定气体的发射率，然后利用 计算气体的发射辐射。而由于气体的容积辐射特性，与射线程长关s系密切，而s 取决于气体容积的形状和尺寸。为了使射线程长均匀，人们引入了当量半球的概念，将不是球形的容积等效为半球，则其半径就是等效的射线程长。在缺少资料的情况下，任意几个形状气体对整个包壁的平均射线程长可按下式计算：式中，V 为气体容积，m3；A 为包壁面积，m2。4 气体的发射率气体对不同地区的辐射半球内气体对球心的辐射4 气体的发射率除了与 s 有关外，还与气体的温度和气体得分压力

24、有关：利用上面的关系，可以采用试验获得。CO2 的图分别是8-40和图8-424 气体的发射率H2O的图分别是8-39和图8-41当气体中同时存在二氧化碳和水蒸气时，气体的发射率由下式给出:式中，是修正量，由图8-43给出。4 气体的发射率5 气体的吸收比式中修正系数 和 与发射率公式中的处理方法相同，而，和 的确定可以采用下面的经验公式在气体发射率和吸收比确定后，气体与黑体外壳之间的辐射换热公式为:小 结1 辐射的本质及特点；2 概念的理解：黑体、灰体、漫射体、发射率、黑度、有效辐射、投入辐射、定向辐射度等；3 热辐射的基本定律；4 角系数的概念及计算，辐射传热热阻网络；5 灰体表面间的辐射传热计算；6 遮热板的原理及计算；7 了解气体辐射的特点。思考题P2398-1 8-2 8-11 8-12 8-18 8-21 例题 P212 8-8 P215 8-9 P218 8-11 P218 8-12 作 业8-2 8-13 8-30