第10章 辐射换热
第10章 辐射换热
学习导引
热辐射的传热现象与导热、热对流相比有着 本质的区别。物体之间以热辐射的形式实现热量 交换的现象称为辐射换热。本章主要介绍热辐射 的本质、特点及其有关的基本概念，阐述了热辐 射的基本定律。
学习要求
• 本章重点是理解热辐射的基本概念和基 本定律，通过学习应达到以下要求：
1.掌握热辐射和辐射换热的本质与特点。
两固体表面间的净辐射换热量可按下式计算
Φ1, 2
C1,
2
XA
T1 100
4
T2 100
4
式中 A辐射换热的计算基准面积，m2；当两固体的辐
射面积不相等时，取辐射面积较小的一个（见表14-1中A1) 。 C1，2——总辐射系数
例 一根水平放置的蒸汽管道， 其保温层外径d=583 mm，外表面实测平均温度及空气温度分别为tw=48℃， tf=23℃。此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传 热系数h=3.42 W /(m2 K), 保温层外表面的发射率 ε=0.9 问：（1） 此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式；
1
凡属黑体的一切量均 加下角标b
均为假定的理想物体
2、黑体、白体和透热体
• 黑体：能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有 方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强。
α1，即ρτ0，物体能吸收全部的辐射能。
材料的性质及其表面粗糙度对吸收率有重大影响。一般来讲，物体
辐射力：单位时间内单位表面积向半球空间所有方向发射的全波长辐射能的 总和。单位为W/㎡
黑体辐射力Eb与黑体热力学温度的四次方成正比，又称为四次方定律，即
Eb bT 4 (W / m 2 )
或
Eb
Cb
T 100
4
(W
/
m2)
b :黑体辐射常数， 其值为5.6710-8 W/(m2K4)；
固体的辐射和吸收 是在表面进行的
当气体层对某一界面 辐射时，实际上是整个气 体层中各处的气体对该界 面辐射的总和。
二、火焰辐射
锅炉内燃料燃烧产生的火焰与四周受热面（水冷壁）之间进行辐射传 热的过程称为炉内辐射换热。
为复杂换 热过程
火焰辐射近似于固体辐射，可近似地作为灰体处理。
火焰中含有煤粒、飞灰与烟渣等 具有辐射能力强的固体微粒
发光火焰的辐射特性与其所含微粒的大小和数量有关。
三、太阳辐射
太阳的巨大能量完全靠辐射方式送达地球表面; 由 于距离遥远，到达地球的太阳射线近似于平行。
由于太阳温度高达数千万度，它向宇宙空间辐射的
能量中约98％集中在0.2m≤≤3m的短波区。
太阳辐射能量中:
• 紫外线部分（＜0.38m）约占8.7％， • 可见光部分（0.38m≤≤0.76m）约占44.6％，
一、热辐射的概念 二、热辐射的特点 三、辐射换热 四、热辐射的性质
一、热辐射的概念
◦物体以电磁波的形式传递能量的过程称为辐 射，被传递的能量称为辐射能。 ◦因热的原因激发物质内部微观粒子振动，将 热能转变成辐射能，以电磁波的形式向外辐 射的过程称为热辐射。
电磁波谱
常用波长来描述电磁波
热射线——热辐射产生的电磁波，包括全部可见光(为0.38～ 0.76m） 、部分紫外线（＜0.38m）和部分红外线（＞ 0.76m） 。一般可将热辐射看成红外线辐射。
C、无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；高温 物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量；总的结果 是热由高温传到低温。
四、热辐射的性质
1、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 QQQ
L d 边长（长方形用短的边长）或直径
==
hh
辐射面间的距离
1—圆盘形；2—正方形；3—长方形（边之比为2:1）；4—长方形（狭长）
二、两固体间的辐射换热
工程上常见的两固体(灰体1、2 )相互辐射传热的过程，是两者之间辐射能的 反复发射和反射过程 。两固体间辐射换热的总结果为温度较高的物体传递给温度 较低物体的净热量。
2.理解有关热辐射的吸收、反射、透射、黑 体、白体、透热体及灰体等基本概念。
3.理解斯蒂芬—玻尔兹曼定律的实质。
4.了解气体辐射的特点。
主要内容
§10.1 热辐射的基本概念 §10.2 热辐射的基本定律 §10.3 固体壁面之间的辐射换热 §10.4 气体辐射和太阳辐射简介
§10.1 热辐射的基本概念
前面在讨论固体表面间的辐射换 热时，由于表面温度不高，不考 虑固体表面间的介质(认为是透
热体)对辐射换热的影响
一、气体辐射和吸收的特点
（1）气体的辐射和吸收对波长有强烈的选择性。
气体只能辐射和吸收光带的能量，对光带以外的热
射线，气体就成为透热体。 • 光带: 气体辐射和吸收的波长范围。
气体的辐射光谱和 吸收光谱 不连续
1—黑体； 2—灰体； 3—气体
部分光带重叠
气体辐射
表14-2 水蒸气和二氧化碳的辐射和吸收光带
光带
H2O 波长范围/m 2.24～3.27
4.8 ～8.5 12～25
气体种类
带宽/m 1.03 3.7 13
CO2 波长范围/m 2.36～3.02
4.01～4.8 12.5～16.5
带宽/m 0.66 0.79 4.0
（4）辐射换热是物体之间相互辐射和吸收的总效果。
高温
低温
物体Leabharlann 物体三、辐射换热1、辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射不同，就 像对流和对流换热一样。
2、辐射换热的特点
A、不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传 递能量。
B、在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换。
大气层中的O3、O2、H2O、CO2等气体对太阳辐射 的吸收具有明显的选择性。
臭氧（O3）
H2O、CO2
O2、O3
尘埃、污染物
紫外线
红外线
部分可见光
各类射线
太阳辐射
2.大气层的散射作用
• 瑞利散射（或分子散射）
由气体分子引起的几乎各个方向分布均匀的散射 。
气体分子对短波辐射散射强烈 。
• 米氏散射
E
Eb
Cb
T 100
4
(W
/
m2)
§10.3 固体壁面之间的辐射换热
一、角系数
物体间的辐射换热量除与物体的表面温度和黑度有关 外，还与物体换热表面的几何形状、大小及相对位置有关。
（a）板1辐射到板2的能量最多; （c）板1对板2的辐射能量为零; （b）则介于两种之间。
两固体表面之间的辐射换 热量与两表面间的相对位 置有很大关系
• 红外线部分（＞0.76m）约占45.4％。
太阳辐射
在太阳和地球的平均距离上，在地球大气层外缘与太阳射线垂直的单位面积上
接收到的太阳辐射能为
Sc 为太 阳常数
Sc1367W/m21.6W/m2
由Sc ，可算得太阳表面相当于温度为5762K的黑体。 地球大气层外缘某区域水平面上单位面
太阳射线
的表面越粗糙，吸收率就越大。
• 白体(镜体)
如磨光的金属表面
如电影院内壁
ρ1，即ατ0，投射到物体上的辐射能被全部反射。
• 透热体
如绝对干燥空气
τ1，即αρ0，投射到物体上的辐射能被全部透过。
一般来讲，固体和液体都是不透热体。气体反射率为0。
4.灰体
工程中为简化辐射换热计算而引入
α＜1，且吸收率不随波长而改变（α为常数）的物体。
T : 黑体表面的热力学温度，K。 Cb :黑体辐射系数，
其值为5.67W/(m2K4)。
一、斯蒂芬—玻尔兹曼定律
单色辐射力——物体在某一温度下，单位时间内单位表 面积向半球空间所有方向发射的某一波长的辐射能称为
单色辐射力。（光谱辐射力） Eλ。
E、Eλ关系:显然， E和Eλ之间具有如下关系：
274.7(W / m)
自学
§10.4 气体辐射和太阳辐射简介
在工业上常遇到的高温范围内，分子结构对称的双原 子气体可视为透热体，如：O2、N2、H2等；
分子结构不对称的双原子气体及多原子气体都具有相 当大的辐射能力和吸收能力 ，如：CO、CO2、H2O、CH4。
工程上，烟气（或燃气）中的二氧化碳和水蒸气是主 要的具有辐射能力的气体，其辐射和吸收特性对烟气的影 响很大。
积所接受到的太阳辐射能为
Sc
n
θ
GsfSccos
GS2O
f :地球绕太阳运行轨道非圆形的修正，f 0.97～1.03
大气层
:太阳射线与水平面法线的夹角，称天顶角。
地面
太阳辐射
太阳射线在穿过大气层时，沿程强度逐渐减弱，减弱程度与太阳 射线在大气中的行程长度、大气的成分及被污染的程度有关。
1.大气层的吸收作用
绝大多数的工程材料在热辐射范围内均可近似为 灰体处理。
对于大多数的固体和液体： 0, 1
对于不含颗粒的气体： 对于黑体：
0, 1
1
镜体或白体：
1
透明体：
1
§11.2 热辐射的基本定律
一、斯蒂芬—玻尔兹曼定律
揭示了黑体的辐射能力与其温度 之间的关系
物体的黑度是物体本身的一种性质。
常用工程材料的黑度由实验确定，可在附录和有关手册中查出。
• 表面粗糙的物体或氧化金属表面具有较大的黑度。
• 磨光的金属表面黑度较小。
学习导引
热辐射的传热现象与导热、热对流相比有着 本质的区别。物体之间以热辐射的形式实现热量 交换的现象称为辐射换热。本章主要介绍热辐射 的本质、特点及其有关的基本概念，阐述了热辐 射的基本定律。
学习要求
• 本章重点是理解热辐射的基本概念和基 本定律，通过学习应达到以下要求：
1.掌握热辐射和辐射换热的本质与特点。
两固体表面间的净辐射换热量可按下式计算
Φ1, 2
C1,
2
XA
T1 100
4
T2 100
4
式中 A辐射换热的计算基准面积，m2；当两固体的辐
射面积不相等时，取辐射面积较小的一个（见表14-1中A1) 。 C1，2——总辐射系数
例 一根水平放置的蒸汽管道， 其保温层外径d=583 mm，外表面实测平均温度及空气温度分别为tw=48℃， tf=23℃。此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传 热系数h=3.42 W /(m2 K), 保温层外表面的发射率 ε=0.9 问：（1） 此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式；
1
凡属黑体的一切量均 加下角标b
均为假定的理想物体
2、黑体、白体和透热体
• 黑体：能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有 方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强。
α1，即ρτ0，物体能吸收全部的辐射能。
材料的性质及其表面粗糙度对吸收率有重大影响。一般来讲，物体
辐射力：单位时间内单位表面积向半球空间所有方向发射的全波长辐射能的 总和。单位为W/㎡
黑体辐射力Eb与黑体热力学温度的四次方成正比，又称为四次方定律，即
Eb bT 4 (W / m 2 )
或
Eb
Cb
T 100
4
(W
/
m2)
b :黑体辐射常数， 其值为5.6710-8 W/(m2K4)；
固体的辐射和吸收 是在表面进行的
当气体层对某一界面 辐射时，实际上是整个气 体层中各处的气体对该界 面辐射的总和。
二、火焰辐射
锅炉内燃料燃烧产生的火焰与四周受热面（水冷壁）之间进行辐射传 热的过程称为炉内辐射换热。
为复杂换 热过程
火焰辐射近似于固体辐射，可近似地作为灰体处理。
火焰中含有煤粒、飞灰与烟渣等 具有辐射能力强的固体微粒
发光火焰的辐射特性与其所含微粒的大小和数量有关。
三、太阳辐射
太阳的巨大能量完全靠辐射方式送达地球表面; 由 于距离遥远，到达地球的太阳射线近似于平行。
由于太阳温度高达数千万度，它向宇宙空间辐射的
能量中约98％集中在0.2m≤≤3m的短波区。
太阳辐射能量中:
• 紫外线部分（＜0.38m）约占8.7％， • 可见光部分（0.38m≤≤0.76m）约占44.6％，
一、热辐射的概念 二、热辐射的特点 三、辐射换热 四、热辐射的性质
一、热辐射的概念
◦物体以电磁波的形式传递能量的过程称为辐 射，被传递的能量称为辐射能。 ◦因热的原因激发物质内部微观粒子振动，将 热能转变成辐射能，以电磁波的形式向外辐 射的过程称为热辐射。
电磁波谱
常用波长来描述电磁波
热射线——热辐射产生的电磁波，包括全部可见光(为0.38～ 0.76m） 、部分紫外线（＜0.38m）和部分红外线（＞ 0.76m） 。一般可将热辐射看成红外线辐射。
C、无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；高温 物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量；总的结果 是热由高温传到低温。
四、热辐射的性质
1、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 QQQ
L d 边长（长方形用短的边长）或直径
==
hh
辐射面间的距离
1—圆盘形；2—正方形；3—长方形（边之比为2:1）；4—长方形（狭长）
二、两固体间的辐射换热
工程上常见的两固体(灰体1、2 )相互辐射传热的过程，是两者之间辐射能的 反复发射和反射过程 。两固体间辐射换热的总结果为温度较高的物体传递给温度 较低物体的净热量。
2.理解有关热辐射的吸收、反射、透射、黑 体、白体、透热体及灰体等基本概念。
3.理解斯蒂芬—玻尔兹曼定律的实质。
4.了解气体辐射的特点。
主要内容
§10.1 热辐射的基本概念 §10.2 热辐射的基本定律 §10.3 固体壁面之间的辐射换热 §10.4 气体辐射和太阳辐射简介
§10.1 热辐射的基本概念
前面在讨论固体表面间的辐射换 热时，由于表面温度不高，不考 虑固体表面间的介质(认为是透
热体)对辐射换热的影响
一、气体辐射和吸收的特点
（1）气体的辐射和吸收对波长有强烈的选择性。
气体只能辐射和吸收光带的能量，对光带以外的热
射线，气体就成为透热体。 • 光带: 气体辐射和吸收的波长范围。
气体的辐射光谱和 吸收光谱 不连续
1—黑体； 2—灰体； 3—气体
部分光带重叠
气体辐射
表14-2 水蒸气和二氧化碳的辐射和吸收光带
光带
H2O 波长范围/m 2.24～3.27
4.8 ～8.5 12～25
气体种类
带宽/m 1.03 3.7 13
CO2 波长范围/m 2.36～3.02
4.01～4.8 12.5～16.5
带宽/m 0.66 0.79 4.0
（4）辐射换热是物体之间相互辐射和吸收的总效果。
高温
低温
物体Leabharlann 物体三、辐射换热1、辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射不同，就 像对流和对流换热一样。
2、辐射换热的特点
A、不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传 递能量。
B、在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换。
大气层中的O3、O2、H2O、CO2等气体对太阳辐射 的吸收具有明显的选择性。
臭氧（O3）
H2O、CO2
O2、O3
尘埃、污染物
紫外线
红外线
部分可见光
各类射线
太阳辐射
2.大气层的散射作用
• 瑞利散射（或分子散射）
由气体分子引起的几乎各个方向分布均匀的散射 。
气体分子对短波辐射散射强烈 。
• 米氏散射
E
Eb
Cb
T 100
4
(W
/
m2)
§10.3 固体壁面之间的辐射换热
一、角系数
物体间的辐射换热量除与物体的表面温度和黑度有关 外，还与物体换热表面的几何形状、大小及相对位置有关。
（a）板1辐射到板2的能量最多; （c）板1对板2的辐射能量为零; （b）则介于两种之间。
两固体表面之间的辐射换 热量与两表面间的相对位 置有很大关系
• 红外线部分（＞0.76m）约占45.4％。
太阳辐射
在太阳和地球的平均距离上，在地球大气层外缘与太阳射线垂直的单位面积上
接收到的太阳辐射能为
Sc 为太 阳常数
Sc1367W/m21.6W/m2
由Sc ，可算得太阳表面相当于温度为5762K的黑体。 地球大气层外缘某区域水平面上单位面
太阳射线
的表面越粗糙，吸收率就越大。
• 白体(镜体)
如磨光的金属表面
如电影院内壁
ρ1，即ατ0，投射到物体上的辐射能被全部反射。
• 透热体
如绝对干燥空气
τ1，即αρ0，投射到物体上的辐射能被全部透过。
一般来讲，固体和液体都是不透热体。气体反射率为0。
4.灰体
工程中为简化辐射换热计算而引入
α＜1，且吸收率不随波长而改变（α为常数）的物体。
T : 黑体表面的热力学温度，K。 Cb :黑体辐射系数，
其值为5.67W/(m2K4)。
一、斯蒂芬—玻尔兹曼定律
单色辐射力——物体在某一温度下，单位时间内单位表 面积向半球空间所有方向发射的某一波长的辐射能称为
单色辐射力。（光谱辐射力） Eλ。
E、Eλ关系:显然， E和Eλ之间具有如下关系：
274.7(W / m)
自学
§10.4 气体辐射和太阳辐射简介
在工业上常遇到的高温范围内，分子结构对称的双原 子气体可视为透热体，如：O2、N2、H2等；
分子结构不对称的双原子气体及多原子气体都具有相 当大的辐射能力和吸收能力 ，如：CO、CO2、H2O、CH4。
工程上，烟气（或燃气）中的二氧化碳和水蒸气是主 要的具有辐射能力的气体，其辐射和吸收特性对烟气的影 响很大。
积所接受到的太阳辐射能为
Sc
n
θ
GsfSccos
GS2O
f :地球绕太阳运行轨道非圆形的修正，f 0.97～1.03
大气层
:太阳射线与水平面法线的夹角，称天顶角。
地面
太阳辐射
太阳射线在穿过大气层时，沿程强度逐渐减弱，减弱程度与太阳 射线在大气中的行程长度、大气的成分及被污染的程度有关。
1.大气层的吸收作用
绝大多数的工程材料在热辐射范围内均可近似为 灰体处理。
对于大多数的固体和液体： 0, 1
对于不含颗粒的气体： 对于黑体：
0, 1
1
镜体或白体：
1
透明体：
1
§11.2 热辐射的基本定律
一、斯蒂芬—玻尔兹曼定律
揭示了黑体的辐射能力与其温度 之间的关系
物体的黑度是物体本身的一种性质。
常用工程材料的黑度由实验确定，可在附录和有关手册中查出。
• 表面粗糙的物体或氧化金属表面具有较大的黑度。
• 磨光的金属表面黑度较小。
合集下载
作业-给排水设备工艺(黄廷林 主编) (课后答案)
第一章水工艺设备常用材料1. 金属材料的基本性能包括哪几个方面的内容？你认为水工艺设备对金属材料的哪些性能要求更高？怎样才能满足这些要求？答：使用性能：1 化学性能：抗氧化性和耐腐蚀性。
2 物理性能：密度，熔点，热膨胀系数，导热性以及弹性模量等。
3 机械性能：弹性，塑性，强度和韧性。
工艺性能：可焊性，可锻性，切削加工性，成型工艺性，热处理性能。
我觉得水工艺设备对金属材料的强度，刚度和抗腐蚀性的性能要求更高。
按照实际的工程需要，通过不同材料间的比较，从中选出较优的材料。
2. 影响钢材性能的因素主要有哪些？答：碳是决定钢材的主要元素，随含碳量增加，钢的强度和硬度将不断提高，而塑性和韧性则会随之下降。
硫是一种有害元素，产生“热脆”现象。
磷也是一种有害元素，产生“冷脆”现象。
锰是一种有益元素，作为脱氧剂和合金元素，减轻硫的有害作用，提高钢的强度和硬度。
硅是一种有益元素，作为脱氧剂和合金元素，提高强度，硬度，弹性，降低塑性和韧性。
氧，氮：未除尽的氧氮大部分以化合物形式存在，降低强度，冷弯性能和焊接性能。
氧增加热脆，氮增加冷脆。
钛，钒，铌：钢的强脱氧剂和合金元素，改善韧性，提高强度。
3. 不锈钢有哪些类型？在酸性介质、碱性介质及中性水溶液中是否可以选用同一种不锈钢？简述理由。
答：按显微组织为马氏体不锈钢，铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢。
按化学成分为铬不锈钢和铬镍不锈钢。
不可以，因为不同介质溶液中PH值不同，对不锈钢的化学反应都不一样，所以不能用同一种不锈钢，应该有所针对的选择。
4、高分子材料主要有哪些类型？耐蚀有机高分子有哪些类型？各有什么特点？答：按照化学组分分：碳链有机聚合物、杂链有机聚合物、元素有机聚合物、无机聚合物。
常用于水工程及水工艺设备中的高分子材料有：塑料、橡胶、纤维和胶粘剂等。
耐蚀有机高分子类型有：热塑性树脂、工程塑料类、热固性树脂等。
热塑性树脂中聚乙烯、聚丙烯的应用占主流。
工程塑料类虽然有优异的耐腐性能，但因其价格的原因，在中等的腐蚀环境中首选的仍是价廉易得、加工容易的材料。
传热学-辐射换热PPT课件
传热学-辐射换热
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
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
辐射换热
F1
F2
1
1
1F 1
J1
12 F1
1
2
J2
2 F2
Q2
1
F3
Eb2
Eb1
Q1
1
Q12 Q13 Q23
13 F1
Q3
23 F2
J3
1
3
3 F3
Eb3
12.辐射换热
12.6 灰体表面间的辐射换热 三个灰体表面间的辐射换热
克西霍夫定律:稳定态传热时，汇入节点的热量之和为零。
节点1：
Eb3 = J 3 Eb3 = J 3
3 F3
0
3 F3
12.辐射换热
12.6 灰体表面间的辐射换热 三个灰体表面间的辐射换热
热网络图可以简化为 Eb1
1 1
1
1 F1
J1
12 F1
Q12 Q23
1 2
J2
2 F2
Eb2
Q1
1
1
Q2
13 F1
Q13
23 F2
统，然后通过电路
分析来确定辐射换 热量的一种方法。
J1
J2
灰表面间的 空间热阻
可以使问题简化。
12.辐射换热
12.6 灰体表面间的辐射换热 两个灰体表面间的辐射换热
两灰表面组成的封闭系统
Eb1
Q1
1
J1
1
Q12
1
J2
Q2 Eb2
1
1 F1
12 F1
2
2 F2
两灰表面间的 Q12 辐射换热量
q = E – AG= Eb –AG
1
J Eb ( 或： qF Q
《传热学辐射换热》PPT课件
对于平面和凸面： Fii 0
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
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
传热学第十章辐射换热计算
cos 1 cos 2
A1 A 2
r
2
dA1 dA2
这就是角系数计算的一般表达式，对于规则形状和位置，可 借助于线算图（教材图9-7，8，9）进行计算。部分二维和三
维结构角系数计算式见教材表9-1，2。
7
3）角系数的性质
① 相对性：
Ai X i , j A j X
j ,i
② 完整性：对封闭系统的n个表面，
J1 E1 1 1 G1 1 Eb1 1 1 G1
12
灰体表面的辐射热流
由灰体表面特性可得投入辐射表达式：
1 1 G1
J1 1 Eb1 1 1
灰体表面净换热：
A1 J1 G1 Eb1 J1 1 1
1 A1
结果只与几何因素有关，所以对于非黑体和非热 平衡也是适用的。
1, 2 E b1 E b 2 A1 X 1, 2 E b1 E b 2 1 A1 X 1, 2
空间辐射热阻
黑体间辐射换热计算关键参数——角系数
4
2）角系数的一般表达式和线算图 假设：物体为漫射(漫辐射，漫反射)表面——服从兰 贝特定律；表面性质（温度、黑度、吸收比）均匀 。
Eb 3 J 3 1 3 J2 J3 1 A2 X 2,3 J1 J 3 1 A1 X 1,3 0
J3
1 3
3 A3
Eb3
3 A3
其它类推。
19
④ 具有重辐射面的封闭腔辐射换热（与串并联电路 解法类似）
1
E b1
1 1
J1
X 1 , 2 A1
J2
1 2
内包物体（内1外2）
辐射换热
dA1
4.3、 4.3、积分法确定角系数
由φ1-2A1= φ2-1A2 知是一个纯几何问题
实质上是在求立体方向角与该方向上的可见辐射面 积，即垂直于该方向的流通面积占居的总几何外表 面的面积的分额。 面的面积的分额。 面发射的总辐射能量中投射到2 1面发射的总辐射能量中投射到2面上的辐射能 以及1面发射的总辐射能为： 以及1面发射的总辐射能为：
4.1 角系数
角系数反映的是物体的几何形状、尺寸 和相对位置等几何因素对物体间辐射换 热的影响 ，是一个纯几何因子 ，可以 用数学分析法、查曲线图法、投影法或 几何图形法等方法来确定。
ϕ 1− 2 =
Q 物体 1发射的总辐射能中落到 物体 2上的辐射能 = 1− 2 物体 1发射的总辐射能 Q1
4.2、 4.2、代数法确定角系数
四、物体之间辐射换热的计算
基本计算方法是空腔法 基本计算方法是空腔法
把物体构想成在半球空间中的相互辐射， 把物体构想成在半球空间中的相互辐射，即在 计算任一表面与其它表面的辐射换热时， 计算任一表面与其它表面的辐射换热时，必须 考虑所有参与辐射换热的表面， 考虑所有参与辐射换热的表面，把它们看成一 个封闭腔来分析 。组成辐射空腔的任一表面 辐射的能量会按不同的百分比辐射到其它各个 表面上，同时， 表面上，同时，其它各表面辐射的能量也会按 这个“百分比” 不同的百分比辐射到该表面上 ，这个“百分比” 称为辐射角系数 称为辐射角系数 。
在19世纪末，瑞利（Rayleigh）和维恩（Wein）分别基于理论和实 19世纪末，瑞利（Rayleigh）和维恩（Wein） 世纪末 验提出了各自的黑体单色辐射力随辐射波长和黑体温度变化的规 但结果都不理想。 律，但结果都不理想。普朗克则在他们研究的基础上提出了在整 个波长范围内均满足实验结果的关系式
传热学(第10章--辐射换热)
1 2
1、强化辐射换热的主要途径有两种： (1) 增加表面黑度； (2) 增加角系数。
2、削弱辐射换热的主要途径有三种： (1) 降低表面黑度； (2) 降低角系数； (3) 加入遮热板。
遮热板：在两辐射换热面之间放置的一黑度很小 的，用于削弱辐射换热的薄板。
22
遮热原理：通过在热路中增加热阻来减少辐射换热量。
)4
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)
8
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 )
实际物体的辐射力为：E
Eb
Cb
(T 100
)4
1
热辐射穿过气体层时的衰减
30
2.火焰辐射的特点
火焰中含有固体微粒 火焰辐射类似于固体辐射 可视为灰体处理
31
思考题
教材P154.思考题10-2、10-4、10-5
32
本章小结
热辐射的本质及特点； 黑度、黑体及灰体等概念； 四次方定律； 有效辐射的概念；角系数的性质； 两灰体表面间的辐射换热计算(两种特例)； 辐射换热的增强与削弱
1 A1 X 1,2
A1 X1,2
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。
16
三、灰体表面的有效辐射
17
有效辐射 本身辐射反射辐射
表面1的有效辐射：
J1 E1 1G1 1Eb1 (11)G1 表面1与外界的辐射换热：
第十章传热和换热器
tw,
q qc qr (hc hr ) tw t f
qr , tam
h tw t f
qc , hc , t f
§ 10-3 换热器的型式和基本构造
一、分类
1.按结构型式分: 1)间壁式: 冷、热流体被固体壁面隔开。
如：暖风机、冷凝器、蒸发器等。
暖风机
风冷冷凝器
2)混合式: 冷、热流体互相混合。 如：喷淋式冷却塔、蒸汽喷射器。
以管壳式换热器为例，说明方法的要点.
总传热系数可表示为:
1 k
1 ho
Rw
Rf
1 hi
do di
(a)
Rw 管壁导热热阻
R f 污垢热阻
工业换热器中的管内流体的流动一般都是处于 旺盛湍流状态，hi 与流速u的0.8次方成正比.则
two
ho A1 two t fo ho f A2 two t fo
h0A0 (tw0 t f 0 )
为肋面总效率:
A1 A2 f
A0
1
tf1 tf2
1
hi Ai Ai ho A0
则以光壁为基准的传热系数:
ki
1
1
1
hi ho
定义肋化系数： Ao Ai
1, 1
（3）根据结构，算出传热系数K。(带有假设性)
（4）由传热方程(换热面积A已定),得到 。
（5）由热平衡方程得出’(出口温度均是未知量,也 带假设性.) （6）与’的误差<5%,则满足计算要求. 否则重新假设t,重复上述步骤.
2. 传热单元数法
1)换热器的效能定义：
实际传热量 最大可能传热量
实际传热量： M1c1(t'1t"1 ) M 2c2 (t"2 t'2 )
传热学-第十章
24
3. 其它复杂布置时换热器平均温差计算
交叉流及其它形式（简单顺流、逆流除外）换热器的 平均温差算法比较麻烦，有人已经作出了表格，用时可以 直接查表。查法如下： (1). 先按逆ห้องสมุดไป่ตู้方式算出对数平均温差(tm)c；
(2). 将(tm)c乘以一个修正系数，这样问题就归结为求不 同情况下的。
=f (P,R) 而P，R的定义见书P327-329。由图即可查得。注意书上 t’ 和t” 与图的对应关系，不再是我们前面所说的热、冷 流体。 25
l π (70 - 40) do 1 1 ln 2 0.15 0.0051 10 d o
9
计算结果用图线表示于图中。
讨论： 散热量先增后减， 有最大值 最大值的求法
1 1 π l (ti to ) 2 d 2d o ho d o 0 2 dd o 1 do 1 1 ln hi d i 2 d i ho d o
相应的，以光侧表面面积Ai为基准的传热系数为：
kf ' 1 Ai hi hoo Ao 1 1 1 hi hooβ 1
肋化系数 β=Ao/Ai，即加肋后的总表面积与该侧未加肋 时的表面积之比。 一般β>>1，ηo<1, 但ηoβ>1。 hoηoβ----当量对流换热系数，即把肋部分折算到对流中。
若以管内侧面积为基准，则传热系数为：
1 ki do 1 di 1 di ln hi 2 di ho d o
6
三、 通过肋壁的传热
下图是一侧有肋的平壁。在稳态条件下，通过传热过程 各环节的热流量 是一样的，于是可以列出以下方程式：
hi Ai (tfi t wi )
3. 其它复杂布置时换热器平均温差计算
交叉流及其它形式（简单顺流、逆流除外）换热器的 平均温差算法比较麻烦，有人已经作出了表格，用时可以 直接查表。查法如下： (1). 先按逆ห้องสมุดไป่ตู้方式算出对数平均温差(tm)c；
(2). 将(tm)c乘以一个修正系数，这样问题就归结为求不 同情况下的。
=f (P,R) 而P，R的定义见书P327-329。由图即可查得。注意书上 t’ 和t” 与图的对应关系，不再是我们前面所说的热、冷 流体。 25
l π (70 - 40) do 1 1 ln 2 0.15 0.0051 10 d o
9
计算结果用图线表示于图中。
讨论： 散热量先增后减， 有最大值 最大值的求法
1 1 π l (ti to ) 2 d 2d o ho d o 0 2 dd o 1 do 1 1 ln hi d i 2 d i ho d o
相应的，以光侧表面面积Ai为基准的传热系数为：
kf ' 1 Ai hi hoo Ao 1 1 1 hi hooβ 1
肋化系数 β=Ao/Ai，即加肋后的总表面积与该侧未加肋 时的表面积之比。 一般β>>1，ηo<1, 但ηoβ>1。 hoηoβ----当量对流换热系数，即把肋部分折算到对流中。
若以管内侧面积为基准，则传热系数为：
1 ki do 1 di 1 di ln hi 2 di ho d o
6
三、 通过肋壁的传热
下图是一侧有肋的平壁。在稳态条件下，通过传热过程 各环节的热流量 是一样的，于是可以列出以下方程式：
hi Ai (tfi t wi )
《传热学》2版 辅导资料 思考题参考答案
2．参见附图，圆筒壁内侧t1<t2，请判断壁内温度分布应该是两图中哪一个？并说明理由，设导热系数等于常数。
回答：导热系数等于常数的一维导热方程是（3-1-15），于是温度梯度可以写作(dt/dr) =c/r。可见，温度梯度与径向坐标成反比，即半径小的圆筒壁内侧的温度梯度一定大于外侧的温度梯度。所以附图(b)是正确的。
回答：非稳态导热问题遵循两个基本规律，一个是能量守恒定律，一个是傅里叶定律。在对物体内的任意微元体积做热平衡分析时，切记傅里叶定律中的热流密度和温度梯度均代表瞬时值，傅里叶定律的规律仍成立。
3．应用傅里叶定律时有哪些限制？
回答：限制条件是：（1）纯导热物体（非纯导热物体以当量或表观导热系数描述之）；（2）各向同性（各向异性物体须在导热主轴坐标系中运用傅里叶定律）；（3）非超短时间、超大热流密度或超低温度的导热问题。
3．凸状轴呈对称图形，如果侧面绝热且导热系数为常数，其一维稳态温度分布呈什么？
回答：在一维、稳态、无内热源且常物性条件下，热流量为常数，即A(x)dt/dx=常数。这表明导热的截面积A与温度梯度成反比。只有在等截面情况下，温度梯度才是常量。
回答：导热系数随温度变化时，函数关系一般是写作=0（1＋b t）的形式。但是一般来说0却并不代表0℃时该材料的导热系数。参见附图，这是因为0实际上是该式适用温度区间内近似线性关系的延长线与纵轴的交点。它一般不会正好与=f（t）曲线在0℃时的数值相等。
写为=0＋bt时，0未变，而b相当于原式中的0b。
8．已知某个确定的热流场q=f(x, y)，能否由此唯一地确定物体的温度场？或者还需要补充什么条件？反过来，从温度场能否唯一地确定热流场？
回答：导热问题中若全部边界条件都是第二类（包括绝热），将无法唯一地得到温度场的确定解。而对给定的温度场，却可以根据傅里叶定律唯一地确定热流场。因为一个物体若均匀地提升相同温度，其热流场将不会发生任何改变。即一个热流场可以对应无穷多个温度场。所以，导热问题必须至少具有一个温度参考点，才能唯一地确定其解。
回答：导热系数等于常数的一维导热方程是（3-1-15），于是温度梯度可以写作(dt/dr) =c/r。可见，温度梯度与径向坐标成反比，即半径小的圆筒壁内侧的温度梯度一定大于外侧的温度梯度。所以附图(b)是正确的。
回答：非稳态导热问题遵循两个基本规律，一个是能量守恒定律，一个是傅里叶定律。在对物体内的任意微元体积做热平衡分析时，切记傅里叶定律中的热流密度和温度梯度均代表瞬时值，傅里叶定律的规律仍成立。
3．应用傅里叶定律时有哪些限制？
回答：限制条件是：（1）纯导热物体（非纯导热物体以当量或表观导热系数描述之）；（2）各向同性（各向异性物体须在导热主轴坐标系中运用傅里叶定律）；（3）非超短时间、超大热流密度或超低温度的导热问题。
3．凸状轴呈对称图形，如果侧面绝热且导热系数为常数，其一维稳态温度分布呈什么？
回答：在一维、稳态、无内热源且常物性条件下，热流量为常数，即A(x)dt/dx=常数。这表明导热的截面积A与温度梯度成反比。只有在等截面情况下，温度梯度才是常量。
回答：导热系数随温度变化时，函数关系一般是写作=0（1＋b t）的形式。但是一般来说0却并不代表0℃时该材料的导热系数。参见附图，这是因为0实际上是该式适用温度区间内近似线性关系的延长线与纵轴的交点。它一般不会正好与=f（t）曲线在0℃时的数值相等。
写为=0＋bt时，0未变，而b相当于原式中的0b。
8．已知某个确定的热流场q=f(x, y)，能否由此唯一地确定物体的温度场？或者还需要补充什么条件？反过来，从温度场能否唯一地确定热流场？
回答：导热问题中若全部边界条件都是第二类（包括绝热），将无法唯一地得到温度场的确定解。而对给定的温度场，却可以根据傅里叶定律唯一地确定热流场。因为一个物体若均匀地提升相同温度，其热流场将不会发生任何改变。即一个热流场可以对应无穷多个温度场。所以，导热问题必须至少具有一个温度参考点，才能唯一地确定其解。