11 第十一章 辐射换热
辐射换热常熟

辐射换热常熟
辐射换热是指由电磁辐射而产生的能量传递过程。
辐射换热可以在真空中进行,无需介质介入,也可以通过传热介质进行传递。
辐射换热在自然界和工业生产中起着重要作用。
辐射换热的基本原理是物体表面吸收或发射电磁辐射,辐射能量通过电磁波的传递进行传热。
辐射能量的大小与物体的温度及表面特性有关。
根据斯特凡-玻尔兹曼定律,辐射换热功率
与物体表面的温度的四次方成正比。
在工业生产中,辐射换热常常应用于加热设备、干燥炉、热交换器等领域。
例如,在干燥炉中,电热管的加热元件通过辐射换热将热能传递给被干燥的物体,使其蒸发或去水分。
在热交换器中,通过辐射换热将热能从燃烧室传递到换热器内部,进而与流经换热器的流体进行热交换。
辐射换热的应用还包括太阳能利用、医疗影像、热成像等领域。
太阳能利用是指通过吸收太阳辐射的能量进行供热、发电等。
医疗影像中的X射线、CT、核磁共振等技术都涉及辐射换热
的过程。
热成像则是通过测量物体表面辐射的红外辐射能量来反映其温度分布,广泛应用于工业、建筑、农业等领域。
辐射换热还具有一些特殊的性质。
首先,辐射能量可以穿过真空,因此可以在真空中进行传热。
其次,辐射换热速率随温度差异的四次方倍增长,使其在高温差条件下具有很高的换热效率。
此外,辐射换热与传热介质的物理性质无关,不受介质热导率、比热容等参数的影响。
总之,辐射换热是一种重要的传热方式,在自然界和工业生产中发挥着重要作用。
了解辐射换热的原理和应用可以帮助我们更好地应用和利用能源,提高生产效率,促进科学技术的发展。
★Chapter10-11对流换热-辐射换热-邱

速度边界层
温度边界层
2/40
3
北 京 科 技 大 学
10-1 概述
一、牛顿冷却公式
牛顿冷却公式
= A h( tw-tf )
q = h( tw-tf )
其中:
h—整个固体表面的平均表面传热系数;
tw—固体表面的平均温度; tf —流体温度,对于外部绕流,tf 取远离壁面的流体主流温度;对 于内部流动,tf 取流体的平均温度。
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19
北 京 科 技 大 学
11-1 热辐射的基本概念
一、吸收、反射与投射
镜反射与漫反射: 物体表面对辐射的反射有两种:镜反射与漫反射
(a)镜反射
反射角=入射角
(b)漫反射
被反射的辐射能在各个 方向均匀分布 产生何种反射决于 物体表面的粗糙程度 和 投射辐射能的波长 。 当粗糙程度尺度小于投射辐射能的波长时,就会产生镜反射, 反之就会产生漫反射。绝大多数工程材料的热辐射的反射都 近似于漫反射。
一些表面传热系数的数值范围 对流换热类型
空气自然对流换热
空气强迫对流换热 水自然对流换热 水强迫对流换热 水沸腾
1~10
10~100 100~1000 1000~15000 2500~35000
水蒸气凝结
Байду номын сангаас
5000~25000
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13
第十章小结
重点掌握以下内容: (1)牛顿冷却公式 (2)对流换热的影响因素 (3)对流换热系数的数值概念
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6
北 京 科 技 大 学
10-1 概述
二、对流换热的影响因素
(1) 流动的起因 流动的起因,影响流体的速度分布与温度分布。 强迫对流换热 自然对流换热 一般说来,自然对流的流速较低,因此自然对流换 热通常要比强迫对流换热弱,表面传热系数要小。 例如:气体自然对流h在1~10W/m2· K,而气体强迫 对流h在10~100W/m2· K。
辐射换热

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
辐射换热

辐射总热阻: R 1.51 24 24 11.5 53
辐射换热量:
q1,2 b
T14 T24 53
5.67108 5234 3284
53
67.66
W/m2
q1,3 b
T14 T34 26.5
67.66
0 , 1
⑵ 对于不含颗粒的气体,整个气体容积:
0 , 1
2、黑体模型
吸收比为1的物体。
3、定向辐射强度
在某给定辐射方向上,单位时间内、单 位可见辐射面积、在单位立体角内所发射全
部波长的能量,用 I 表示。
4、光谱定向辐射强度
在波长 附近的单位波长间隔内的定
2、斯蒂芬-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann )
Eb
0
Eb d
bT
4
W/m2
Eb
Cb
T 100
4
W/m2
b ——黑体辐射常数, b 5.67 108 W/ m2 K4
Cb ——黑体辐射系数, Cb 5.67
W/ m2 K4
E
Eb
Cb
T
4
100
W/m2
物体表面光谱定向发射率等于该表面对同温 度黑体辐射的光谱定向吸收比。
, T , T
T T
T T
T T
无条件成立 漫射表面 灰表面 漫灰表面
2、在两块黑度为0.4的平行板之间插入一块黑 度为0.04的遮热板,当平行板表面的温度分 别为250℃和55℃时,试计算辐射换热量和 遮热板温度?并画出网络图。(不计导热和 对流
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
辐射换热

1 cosθ1 cosθ 2 ∫F1 ∫F2 πr 2 dF1dF2 F1
dQ1→2 =
cosθ1 cosθ2 Q2→1 1 ϕ21 = = ∫ ∫ dFdF 1 2 2 F F2 Q2 F2 1 πr
12.辐射换热
12.4 角系数
角系数的定义
黑 体
Q1→2 ϕ12 = Q1
ϕ12 =
Q1→2 1 cosθ1 cosθ 2 = ∫ ∫ dF1dF2 2 F1 F2 Q1 F1 πr
∫ A=
∞
0
Aλ Gλ dλ
∞
∫
0
Gλ dλ
12.辐射换热
实际物体表面的辐射-- --灰体 12.3 实际物体表面的辐射--灰体
基尔霍夫定律
A=ε
灰体
单色吸收率与波长无关的物体
A = Aλ = const
E ∫ ε λ E bλ dλ ε= = Eb σ 0T 4 ε = ε λ = A = Aλ = const
R = 1, A = D = 0
D = 1, A = R = 0 外界投射到物体上的辐射能全部透过物体--透明体 外界投射到物体上的辐射能全部透过物体-- --透明体
12.辐射换热
12.1 热辐射的基本概念
辐射能的吸收、 辐射能的吸收、发射和投射
A+ R + D =1
固体、液体: 固体、液体:对辐射能的吸收只在物体表 面薄层内进行,可认为其透射率: 面薄层内进行,可认为其透射率:D=0
传输理论
热量传输 辐射换热
12.辐射换热
12.1 热辐射的基本概念
辐射换热是指物体之间通过相互辐射和吸收进行的热量传输 过程。 过程。
热辐射
物体由于自身温度引起的发射辐射能的现象,依靠热射线 物体由于自身温度引起的发射辐射能的现象, (电磁波)传递热量 电磁波)
11、辐射换热计算PPT课件

1
角系数Fij的定义: 离开表面i的辐射被表面j所拦截的份额
5
热电比拟
电路图
示意图
电势差 电阻 电流
热网络图
6
例1:
7
图(2-3) 两个表面空腔的辐射换热
8
9
例2:
10
12
图2-4 例题2的辐射网络示意图
11
12
13
14
15
?
37
38
同情形下,没有辐射遮热板时的热阻为:
39
由上式可以看出,有辐射遮热板的 热阻比无辐射遮热板的热阻大 (n+1) 倍。
40
若两种情况下,换热表面的温度相同, 则:
41
§2.3 辐射对温度测量的影响
42
当把温度计放在气流中测量温度时, 感受元件所指示的是温度取决于感受 元件上的总的能量平衡。 如图(2-9)所示:
部分资料从网络收集整 理而来,供大家参考,
感谢您的关注!
43
图(2-9) 温度计测温
44
45
从上式可知,温度计指示的温度并 非是气体的真实温度,而是温度计 进行对流和辐射换热的平衡温度。 因此会造成测量误差,有时误差甚 至会很大。
46
例4
图(2-4) 用热电偶测量气流温度的示意图 47
48
49
50
51
52
53
54
The End
55
16
图(2-5)
17
18
19
图2-6 矩形的角系数
20
21
22
23
24
§2.2 辐射遮热板(辐射屏)
减少两个特定的表面之间辐射换 热的方法之一是采用高反射率的 材料。
第十一章 辐射换热

第二编热量传输第十一章辐射换热辐射换热在金属热态成形产业中是常见的现象,如金属件在炉内的加热,熔化炉中的炉料与发热体之间的换热等。
第一节热辐射的基本概念一、热辐射与辐射换热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叫辐射,电磁波所携带的能量叫辐射能。
由于电磁波可以在真空中传播,因而辐射能也可以在真空中传播,而导热与对流换热则只在存有物质的空间中才能发生。
激发物体辐射能量的原因或方法不同,产生的电磁波的波长和频率也不相同。
电磁波按波长的长短来划分有多种,如图11-1所示。
热辐射是由于热的原因而发生的辐射。
主要集中在红外线和可见光的波长范围内。
热辐射是物体的一种属性,只要物体的温度高于绝对温度0K,就会进行辐射。
因此热量不仅从高温物体辐射到低温物体,同样也从低温物体辐射到高温物体,但是两者辐射的能量不同。
物体在发射辐射能的同时,也在吸收辐射能。
辐射换热是指物体之间的相互辐射和吸收过程的总效果。
例如工业炉炉壁与周围物体之间由于炉壁温度较高,炉壁向周围辐射的能量多于吸收的能量,这样热量就从工业炉传给周围物体。
辐射换热不仅取决于两个物体之间的温度差,而且还取决于它们的温度绝对量。
对于导热来说,其热流密度与温度梯度成正比,而对辐射换热来说,热流密度(或辐射力)与辐射物体热力学温度的四次方成正比,即E∝T4。
二、吸收率、反射率、穿透率当热辐射的能量投射到物体表面上时,同可见光一样有吸收、反射和穿透的现象。
设辐射到物体表面的总能量为Q,其中一部分Qa在进入物体表面后被物体吸收,另一部分能量Qρ被物体反射,其余部分Qτ穿透物体,如教材150页图11-2所示。
根据能量守恒定律得或。
(11-1)令,,则式(11-1)可写成。
(11-2)式中α、ρ、τ——物体的辐射吸收率、反射率和穿透率。
固体及液体在表面下很短的一段距离内就能把辐射能吸收完毕,并把它转换成热能,使物体的温度升高。
对于金属导体,这段距离约为1μm;对于大多数非导电材料,这一距离也小于1mm。
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对于灰体,=常数
Eb d
0
Eb
光谱辐射力随波长的变化
其中ε为物体的发射率, 也称黑度。
E Eb T
4
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。
光谱发射力随波长的变化
Fundamentals of thermal engineering
E Eb E Eb
平行平板辐射换热
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。
Fundamentals of thermal engineering
热
工
基
础
11-3 实际物体的辐射特性,基尔霍夫定律
上式具有如下限制:
(1)整个系统处于热平衡状态;
J
1 A
基
础
11-4
1
辐射换热的计算方法
Eb1 J1
1 1 A 2 , 2
Eb 2 J 2
1 2 A 2
A2 X 2,1 J 2
Eb1
1 1 A11
J1
J2
Eb2
1 2 A2 2
1,2
1 A1 X 1,2
A1 X 1,2 J1
气体几乎无反射,即 0, 1
黑体(绝对黑体): 1
白体(绝对白体): 1 绝对透热体: 1
Fundamentals of thermal engineering
热 工 基 础
11-1 热辐射的基本概念
镜反射和漫反射:
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。
Fundamentals of thermal engineering
热 工 基 础
11-1 热辐射的基本概念 2. 灰体与黑体 灰体:光谱辐射特性不随波长而变化的假想物体,
即 , , 分别等于常数,与投入辐射的波长无关。
灰体和黑体一样,是一种理想物体。 注意: 黑体、白体与黑色、白色物体的区别。 颜色对可见光而言;白体、黑体、透 明体对全波长而言。白色物体(反射 可见光呈白色)不一定是白体;黑颜 色物体不一定是黑体。
热
工
基
础
11-3 实际物体的辐射特性,基尔霍夫定律
3. 基尔霍夫(G.R.Kirchhoff)定律
实际物体吸收辐射能的能力与发射辐射能的能 力之间的关系:
,, T ,, T
对于漫射体,辐射特性与方向无关,
T T
对于漫射、灰体,辐射特性与波长无关,
X1, 2
X1, 2i
i 1
n
角系数的可加性
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。
Fundamentals of thermal engineering
热
工
基
础
11-4
辐射换热的计算方法
3 角系数的计算方法
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。
J E G Eb G
Fundamentals of thermal engineering
热
工
基
础
11-4
辐射换热的计算方法
(3) 角系数:表面1对表面2的角系数X1,2是:表 面1直接投射到表面2上的能量,占表面1辐射能量 的百分比。即
X1,2
表面1对表面2的投入辐射 表面1的有效辐射
Fundamentals of thermal eng
11-4
辐射换热的计算方法
1. 角系数的定义
(1)投入辐射:单位时间内投射到单位面积上的总 辐射能,记为G。 (2)有效辐射: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,记为J。
, , T T
Fundamentals of thermal engineering
热 工 基 础
11-3 实际物体的辐射特性,基尔霍夫定律 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 :ε、α、T 当系统处于热平衡时,有
E
2 2
L cos d
/2
0
2
L cos sin d d
L d
0
sin cos d L
Fundamentals of thermal engineering
热
工
基
础
11-3
实际物体的辐射特性,基尔霍夫定律
1 实际物体的发射特性
Fundamentals of thermal engineering
热 工 基
人工黑体模型
础
11-2
黑体辐射的基本定律
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)
光谱辐射力Eλ: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)
Fundamentals of thermal engineering
热
工
基
础
11-4
辐射换热的计算方法
A1 X1, 2 A2 X 2,1 A1 X 1,3 A3 X 3,1 A2 X 2,3 A3 X 3, 2
X1, 2 X1,3 1 X 2,1 X 2,3 1 X 3,1 X 3, 2 1
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:
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
E E d
0
黑体一般采用下标b表示,如黑体的辐射力为Eb。
热 工 其中ε 为物体的发射率,也称黑度。 Fundamentals of thermal engineering 基 础
11-2
黑体辐射的基本定律
Ebλ
1 普朗克(Planck)定律
Eb
c15
( T )
ec
2
1
透射辐射:G w/m2
Fundamentals of thermal engineering
热
工
基
础
11-1 热辐射的基本概念 吸收比
G G
反射比
G G
透射比 G
G
G G G G 1
一般:固、液对热辐射是不透射的,即
0 , 1
式中,λ— 波长,m ; T — 黑体温度,K ; c1 =3.742×10-16 Wm2; c2 =1.4388×10-2 WK; 特点: (1)温度愈高,同一波长下的光谱辐射力愈大;
/ μm
(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。
Eb (1 )G
代入
G Eb A
J G Eb G A
Eb J A Eb J 1 1 A
Fundamentals of thermal engineering
热 工
Eb
表面辐射热阻
表面1发出的有效辐射 到达表面2的部分 J J2 A1 X 1,2 ( J1 J 2 ) 1 1 A1 X 1,2
表面 2发出的有效辐射 到达表面1的部分
Fundamentals of thermal engineering
热
工
基
础
11-2
黑体辐射的基本定律
3 斯忒藩—玻耳兹曼定律
Eb T 4
(四次方定律)
式中 = 5.67×10-8 W/(m2K4),称为斯忒藩—玻耳 兹曼常数,又称为黑体辐射常数。 4 兰贝特定律 黑体的辐射强度与方向无关,半球空间各方向上 的辐射强度都相等。 漫发射体:空间各个方向上辐射强度都相等的物体。
Eb1 Eb 2 A1 X 1,2 ( Eb1 Eb 2 ) 1 A1 X 1,2
Eb1
空间辐射热阻
Eb2
1 A1 X 1,2
Fundamentals of thermal engineering
热
工
基
础
11-4
辐射换热的计算方法
5 漫灰表面之间的辐射换热
J E G Eb (1 )G
L L 常数
Fundamentals of thermal engineering
热 工 基 础
11-2
黑体辐射的基本定律
E L cos L cos En cos