传热学第九章辐射基本定律

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传热学-第九章辐射计算

X1, 2
1,2 1,2 A 1,2 B
X1, 2i
i 1
n
A1 Eb1 X 1,2 A1 Eb1 X 1,2 A A1 Eb1 X 1,2 B X 1,2 X 1,2 A X 1,2 B
再来看一下2 对 1 的能量守恒情况: 2 ,1 2 A ,1 2 B ,1
X 1,2 X 2,1
1 A1 1 A2

A1
A2
X d 1, d 2 dA1 X d 2, d 1dA2
A
A1 1
1
cos 1 cos 2 dA1dA2
A2

A1
1 A2
A2

A1
r cos 1 cos 2 dA1dA2
2
(9-4a)
A2
r
2
(9-4b)
的电流、电位差和电阻比拟热辐射中的热流、热势差与热
阻，用电路来比拟辐射热流的传递路径。但需要注意的是，该方法也离不开角系数的计算，所以，必须满足漫灰面、物性均匀以及投入辐射均匀的条件。
热势差与热阻
上节公式(9-12)：
J Eb ( 1)q
1

改写为：
Eb J q 1
1, 2 A1 Eb1 X 1, 2 A2 Eb 2 X 2,1 A1 X 1, 2 ( Eb1 Eb 2 ) 的热辐射到达表面 2的部分的热辐射到达表面 1的部分
图9-13 黑体系统的辐射换热
表面1发出表面 2发出
例题9-4 一直径d=0.75m的圆筒形埋地式加热炉采用电加热。在操作过程中需要将炉子顶盖移去一段时间，设此时筒身温度为 500K ，筒底为 650K 。环境温度为 300K 。试计算顶盖移去期间单位时间内的热损失。设筒身及底面均可作为黑体。

《传热学》第9章-辐射换热的计算

有效辐射：单位时间内离开单位面积表面的总辐射能, 用符号J表示。
J = E + ρG = εEb + (1 − α )G
漫灰表面之间的辐射换热
单位面积的辐射换热量=？
应该等于有效辐射与投入辐射之差
Φ= A
也等于自身辐射力与吸收的投入辐射能之差
J− Φ A
G = εEb
α =ε
− αG
Φ
=
Aε 1−ε
X
1,
2

1 ε1
− 1
+1+
X
2.1

1 ε2
− 1
= ε s A1 X1,2 (Eb1 − Eb2 )
εs
=

X
1,
2

1 ε1
−1 + 1 +
X
2.1

1 ε2
− 1 −1
系统黑度
6
两个漫灰表面构成的封闭空腔中的辐射换热
两块平行壁面构成的封闭空腔
角系数的曲线图
（a）平行的等面积矩形
（c）垂直的两个矩形
2 角系数的性质
(1) 相对性 (2) 完整性
A1 X 1,2 = A2 X 2,1
－互换性
封闭空腔的所有表面的角系数之和等于1
n
∑ X i , j = X i ,1 + X i ,2 +L+ X i ,i +L + X i ,n = 1
j =1
黑体辐射
Lb
=
Eb π
角系数的定义式
∫ ∫ Φ1→2 =
A1
A2
Eb1
cosθ1 cosθ 2 πr 2

传热学第九章辐射换热的计算

灰体——多次反射、吸收
9-2 两表面之间的辐射换热过程
1. 黑体表面之间的辐射换热
任意位置的两个黑体表面1、2，从表面1发出并直接投射
到表面2上的辐射能为
1 2 A1 X 1,2 E b1
从表面2发出并直接投射到表面1上的辐射能为
21 A2 X 2 ,1 E b 2
两个表面之间的直接辐射换热量为
X 1,2 X 2 ,1 1
A2 a
A1
9-1 角系数
4. 角系数的计算方法
(2) 代数法
由三个垂直于纸面方向无限长的非凹表面构成的封闭空腔,
三个表面的面积分别为A1、A2、A3 。
X i ,i 0
根据角系数的完整性
角系数的相对性
A1 X 1, 2 A1 X 1, 3 A1
A1 X 1,2 A2 X 2 ,1
Eb1 cos 1 cos 2 dA1dA2
1d 1
dd11
2
2 Lb1 dA1 cos
2
r
Eb1
dA2 cos 2
Lb1
d1
r2

9-1 角系数
2. 角系数的定义式
12
cos 1 cos 2
cos 1 cos 2
dA1dA2
E b1
dA1dA2 E b1
2
2
A1 A2
A1 A2
r
r
表面1对表面2的角系数为
X 1,2
12
A1 Eb1
1

A1
cos 1 cos 2
A1 A2 r 2 dA1dA2
1

A2
cos 1 cos 2

传热学热辐射基本定律优秀PPT

特例
Øα=1的物体叫做绝对黑体。 Øρ=1的物体叫做绝对白体。 Øτ=1的物体叫做绝对透明体。 u显然黑体、白体和透明体都是假定的理想物体。
黑体模型
Ø黑体的吸收比α=1，意味着黑体能全部吸收各种波长的辐射能。 Ø自然界中并不存在黑体，但可以用人工的方法制造。 Ø在空腔壁（温度均匀）上开一个小孔，由于空腔较大，投射的辐射能经小孔射入孔腔后，经多次反射吸收后才会出去。反射的能量与投入的能量相比很小，小孔面积越小，吸收比就越→1。若小孔面积/孔腔面积小于0.6％，内壁吸收率为0.6时，小孔的吸收比可大于0.996。 Ø就辐射特性而言，小孔具有黑体表面一样的性质。
Ø 辐射能落在另一物体上吸收时会发生以下现象： ①转变为内能——热效应。 ②引起化学反应——光合作用 ③迫使金属发射电子——光电效应。
Ø热辐射特点： 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 可以在真空中传播； c 伴随能量形式的转变； d 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。
Ø揭示了黑体辐射能按照波长的分布规律，或者说它给出了黑体单色辐射力与波长和温度的依变关系。
单色辐射力随着波长的增加，先增大，然后又减小。
维恩位移定律
Ø最大单色辐射力所对应的波长λm与温度T之间存在着如下关系：
mT a x28 .69 m K 7
ü随着温度的增高，曲线的峰值向左移动，即移向较短的波长。
超过1300℃开始发白。
例题8-1 P212
(2)斯蒂芬—玻尔兹曼定律(第二个定律)： ① 在热辐射分析计算中，确定黑体的辐射力至关重要。由普朗克定律知：
E b0 E b d0 ec2c (1 T )5 1dT4

传热学-第九章

1 G1
1 E1
1Eb1
J1
1 G1
G1
表面间的辐射换热作准备。如图所示，对
表面1来讲，净辐射换热量q为
q J1 G1 E1 1G1 1Eb1 1G1
消去上式中的G1，并考虑到1＝1，可得
J1 Eb1 (
1
1
1) q
即：
J Eb (
1
两圆盘间距相对半径足够小，即L<<R ，则L→0，Xd1,2=1
问：如果大圆盘是一个圆环，怎么求？
2. 角系数的性质
根据角系数的定义及解析式，可导出角系数的性质。
(1) 相对性由前面的式(a)和(b)可以看出
X d 1,d 2
I b1 cos1dA1d dA2 cos1 cos2 Eb1dA1 r2
第九章辐射传热的计算
本章重点
(1) 掌握角系数的定义、性质及其计算方法 (2) 理解效辐射和投入辐射的概念 (3) 理解表面热阻及空间热阻的概念 (4) 掌握两个表面及三个表面热辐射系统的网络计算方法 (5) 掌握辐射换热的强化与削弱的方法 (6) 了解气体辐射的基本特点
§9-1 辐射传热的角系数
1
1Eb1
J1
1 G1
G1
1 G1
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
X 1, 2
角系数的应用条件
表面1对表面2的投入辐射表面1的有效辐射
(1) 所研究的表面是漫射面 (2) 在不同地点上向外发射的辐射热流密度均匀
纯几何
因子
(2) 微元面对微元面的角系数
dA1 cos 1 cos 2
X d 2, d 1

传热学热辐射基本定律和辐射特性课件

工业辐射加热与冷却
工业辐射加热
利用辐射方式将热量传递给物料，实现高效、均匀的加热效果。
工业辐射冷却
利用辐射方式将热量传递给冷却介质，实现高效、快速的冷却效
果。
工业辐射干燥
利用辐射方式将热量传递给物料，实现快速、均匀的干燥效果。
05
热辐射研究展望
新型热辐射材料研究
总结词
随着科技的发展，新型热辐射材料的研究成为传热学领域的重要方向。
详细描述
通过研究热辐射与大气、水体和地表的相互作用，可以深入了解地球系统的能量平衡和蔼候变化机制。同时，这种研究也为可再生能源的利用和环境保护提供了理论支持。
热辐射在新能源领域的应用研究
总结词
热辐射在新能源领域的应用研究具有广阔的前景。
详细描述
利用热辐射进行光热转换，可以实现太阳能的利用和转化。此外，热辐射在高温核聚变、磁流体发电和地热能利用等领域也有着重要的应用价值。通过深入研究热辐射在这些新能源领域的应用，有望为解决能源危机和环境污染问题提供新的解决方案。
意义。
吸取率
总结词
详细描述
吸取率是物体吸取热辐射能量的能力，它决定了物体对热辐射的吸取程度。
吸取率表示物体在特定温度下吸取的热量与入射到物体上的总热量之比。物体的吸取率与其发射率和反射率有关。
总结词
详细描述
吸取率的值介于0和1之间，完全吸取的物体吸取率为1，完全不吸取的物体吸取率为 0。
了解物体的吸取率对于设计热辐射系统、控制热能传递和优化热能利用具有重要意义。
普朗克辐射定律
总结词
普朗克辐射定律描述了黑体光谱辐射的能量散布。
详细描述
普朗克辐射定律指出，黑体的光谱辐射强度与波长、温度有关。在任意波长下，黑体的光谱辐射强度与温度成正比。该定律是量子力学的基础之一，适用于所有温度下的黑体辐射。

辐射基本定律

第六节辐射传热4-6-1 基本概念和定律一、基本概念物体以电磁波的形式传递能量的过程称为辐射，被传递的能量为辐射能。

当物体因热的原因而引起电磁波的辐射即称热辐射。

电磁波的波长范围很广，但能被物体吸收转变成热能的辐射线主要是可见光线和红外光线，也即波长在0.4~20μm 的部分，此部分称为热射线。

波长在0.4~0.8μm 的可见光线的辐射能仅占很小一部分，对热辐射起决定作用的是红外光线。

热射线的可见光线一样，服从反射和折射定律，能在均一介质中作直线传播。

在真空中和绝大多数气体中，热射线可完全透过，但不能透过工业上常见的大多数液体和固体。

如图4-31所示，投射在某一物体表面上的总辐射能为Q ，其中有一部分能量Q a 被吸收，一部分能量Q R 被反射，余下的能量Q D 透过物体。

根据能量守恒定律得：Q Q Q Q D R a =++即 1=++Q Q Q Q Q Q D R a （4-96）或 a+R+D =1式中 a =QQ a ——物体的吸收率，无因次；R =QQ R ——物体的反射率，无因次；D =QQ D ——物体的透过率，无因次。

当a =1，称为黑体或绝对黑体，表示物体能全部吸收辐射能。

当R =1，称为镜体或绝对白体，表示物体能全部反射辐射能。

当D =1，称为透射体，表示物体能全部透过辐射能。

实际上绝对黑体和绝对白体并不存在，只能是接近于黑体或镜体。

吸收率a 、反射率R 和透过率D 的大小取决于物体的性质、表面状况及辐射的波长等。

能以相同的吸收率且部分地吸收由0到∞所有波长范围的辐射能的物体定义为灰体，灰体也是理想物体，但大多数工业上常见的固体材料可视为灰体。

二、斯蒂芬－波尔兹曼定律理论研究表明，黑体的辐射能流率为单位时间单位黑体表面向外界辐射的全部波长的总能量，服从斯蒂芬－波尔兹曼定律：40T b σψ= （4-97）式中 b ψ——黑体的辐射能流率，W/m 2；图4-31 辐射能的吸收、反射和透过0σ——黑体的辐射常数，其值为5.67×10－8W/（m 2·K 4）；T ——黑体的绝对温度，K 。

传热学V4-第九章-辐射传热的计算1

传热学 Heat Transfer
Shanghai Jiao Tong University
9-1 角系数的定义、性质与计算角系数的性质相对性
1
完整性
可加性
角系数的相对性：
两个表面间的角系数 X1,2和X2,1 不是独立存在的。
（推导基于立体角概念和兰贝特定律）
两个有限大小表面
A1 X 1, 2 A2 X 2,1
2
代数分析法
几何分析法、蒙特卡罗法…
代数分析法：利用角系数的性质，通过求解代数方程组获得角系数的方法。
X1,2
A1 A2 A3 2 A1
以线段长度表示
X1,2
三个非凹表面组成的封闭系统
l1 l2 l3 2l1
SJTU-OYH
（忽略垂直方向两端辐射能的逸出）
传热学 Heat Transfer
三个漫灰面组成的封闭空腔
SJTU-OYH
传热学 Heat Transfer
Shanghai Jiao Tong University
9-3 多表面系统辐射换热的计算网络法求解辐射换热的步骤： 3. 根据等效网络图，利用电路基尔霍夫定律（所有流向节点J的热流量代数和＝0），
列出节点的电流（热流量）方程；
X1, 2 X1, 2 A X1, 2 B
X 2,1 A2 A A X 2 A,1 2 B X 2 B ,1 A2 A2
角系数的直接相加仅适合角系数符号第二角码
SJTU-OYH
表面2到表面1
注意：
X 2,1 X 2 A,1 X 2 B,1
传热学 Heat Transfer
Shanghai Jiao Tong University

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f (T )
某一波段内的辐射能
其值可查教材表8-1（P360）
E E F F br,sin1~d2
b b,0~2
b,0~1
黑体辐射函数动画
16
⑤ 兰贝特定律（能量的空间分布——方向函数） a.为了描述辐射能的空间分布特性，引入立体角。
立体角：

人与墙壁间主要传热方式是辐射
1
保温瓶夹层中主要依靠辐射传热
2
传统工业中的辐射换热问题
3
太阳能热水器是典型的利用辐射换热原理
4
辐射通过低温区向人体传热
5
第九章热辐射基本定律及物体的辐射特性 1、热辐射的基本概念 2、黑体辐射 3、实际物体和灰体的辐射
6
1、热辐射基本概念
1)热辐射的物理本质
15
④ 黑体辐射函数：黑体在0~λ波长范围内发出的辐射能在
其辐射力中所占的份额。
E
Fb,(0~ )

Eb,(0~ ) Eb

0 Eb, d T 4

0
c1
5 (ec2 / T
1)
d
T 4
1 2

T 0

c1
(T )5 (ec2 /T
d(T )
1)
的辐射强度，记为L（θ）。
L d
dA cosd
n

可见辐射面积:指在接受辐射方向所能看到的辐射表面积，如图
可见辐射面积动画
dAcos
dA
18
c.兰贝特定律（余弦定律）：黑体表面具有漫辐射（均匀辐射）的性质，在半球空间各个方向上的定向辐射强度相等。
L1 L2 L
辐射力与定向辐射强度的关系：
E E d L cosd
2
2
L cos sin dd 2
2
Байду номын сангаас /2
L d cos sin d
0
0
L 2 1 L
2
20
黑体辐射规律的小结：
黑体辐射的辐射力由斯蒂芬-波尔兹曼定律确定，辐射力正比于热力学温度的四次方；黑体辐射能量按波长的分布服从普朗克定律，而按空间的分布服从兰贝特定律；黑体的单色辐射力有个峰值，与此
10
黑体模型：小孔模型
图示窗口是黑体模型的一个实例
11
辐射力:单位时间内物体单位表面积向半球空间所有方向发射的全部波长的辐射能总量，记为：E 。
光谱辐射力:单位时间内物体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，记为：Eλ。
显然

E 0 E d
E f T,,表面特性
光谱辐射力的峰值点随温度的升高向短波区移动。
由普朗克定律，令：
T4
T3
T2
max,T 3 max,T1
T1
max,T 4 max, T 2

Eb

0 maxT
2.8976103m K
其中：m
为某一温度下最大光谱辐射力所对应的波长
ax
14
③ 斯蒂芬-波尔兹曼定律（四次方定律)：
辐射:物体通过电磁波传递能量的现象
热辐射:由于热的原因而产生的电磁波辐射
（改变物体内部微观粒子的热运动状态，将部分内能
转换为电磁波的能量发送出去的过程）
t>0K 内的物体能
不同温度不同波长辐射能 —— 辐射特性不同方向辐射能 ——吸收特性 ——不同波长辐射和吸收的总效果——辐射换热
7
热辐射传播速度c、波长λ和频率f之间的关系c=f·λ 热辐射的主要波谱:
1
1
吸收比 α=1 → 绝对黑体（黑体）
反射比 ρ=1 → 镜体（对于漫反射称为白体）
穿透比 τ=1 → 绝对透明体（透明体）
9
2、黑体辐射
黑体的基本概念辐射力和光谱辐射力普朗克定律维恩位移定律斯蒂芬-波尔兹曼定律黑体辐射函数兰贝特定律小结
紫外
可见
红外
近远
0.1 0.38 0.76 4 20 100 μm 工程材料辐射(T<2000K)
8
2）吸收比、反射比和穿透比热辐射到达物体表面后的传播途径如图：
辐射示意
根据热平衡原理，投入辐射等于反射辐射、吸收辐射和穿透辐射之和。
Q Q
Q Q
Q Q
Q Q
Q Q
12
① 普朗克定律（黑体的光谱辐射力）:
E
c 5 1
b
e 1 c2 / T
W / m3
式中：λ——波长，m； T——黑体的绝对温度，K； C1——第一辐射常量，3.7419×10-16 W·m2 C2——第二辐射常量，1.4388×10-2 m·K
13
② 维恩位移定律：
E
黑体辐射力：
Eb
0
Eb d

T
4

co

T 100
4
W / m2
式中：σ——黑体辐射常数，5.67×10-8 W/(m2K4); CO——黑体辐射系数，5.67 W/(m2K4)
有时需要计算某一波段的辐射能，如太阳辐射中可见光的份额。为了方便计算，引出黑体辐射函数。
d.定向辐射力：单位时间、单位辐射面积，在某一方向P的单位立体角内辐射的能量，称为该方向的定向辐射力，记为E（θ）。
对服从兰贝特定律的辐射： E d L cos
dAd
上式表明：单位辐射面上发出的辐射能落到空间不同
方向单位立体角内的能量是不等的，其值正比于该方
向与辐射面法线夹角的余弦 . 19
A r2
sr
式中：A——球面面积；
r——球面半径。
球面度
d

dA r2

rd

r sin r2
d
sin dd
r sind
d
r

d
rd

d
微元立体角
式中：θ——天顶角；
φ——平面方位角。
立体角动画
17
b.定向辐射强度：单位时间、单位可见辐射面积在某
一方向的单位立体角内所发出的辐射能，称为该方向
峰值相对应的波长由维m恩ax位移定律确定，即随着
温度的升高，向短波ma方x 向移动。
21
3、实际物体和灰体的辐射发射热辐射的性质吸收热辐射的性质灰体基尔霍夫定律
22
1)发射热辐射的性质
温度：E（T）~T4（S-B定律）
黑体辐射特性：波长：E（λ）（Planck定律）
方向：E（θ）=L cosθ（Lambert定律）对于非黑体，其辐射特性要作适当修正。
23
① 黑度：
实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值称为实际物体的黑度，又称发射率，记为ε。