传热学(第10章--辐射换热)

9
2.基尔霍夫定律
——反映任一物体的辐射力E和吸收率α之间的关系.
E
Eb
结论：
①辐射力大的物体，其吸收率也大。
②同温度下黑体的辐射力最大。
③由黑度定义，可得基尔霍夫定律的另一表达式：
E
Eb
10
3.兰贝特定律**
——反映物体辐射能量按空间不同方向的分布
规律.
En
E
E En cos
11
10-3 物体间的辐射换热
1,2
1 1 1 A1
Eb1 Eb2
1 A1 X 1,2
12 2 A2
19
1,2
1 1 1 A1
Eb1 Eb2
1 A1 X1,2
12 2 A2
➢两种特例：
①两无限大平行灰体表面间：A1=A2，X1,2=X2,1=1
1, 2
(Eb1 Eb2 ) A 1 1 1
1 2
20
1,2
1 1 1 A1
解：（1）两表面间的辐射换热量为
q1,2
Eb1 Eb2 1 1 1
5.67
14.734 11
8.734 1
122kW / m2
1 2
0.8 0.6
25
（2）加入遮热板后的热路图如教材P151.图10-16所 示，此时的辐射换热量为：
q1,3,2
1 1
1 31
Eb1 Eb2
1
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
23
遮热原理在电厂中的应用
➢ 在热电偶外加装遮热罩，用于提高温度测量的准确度。
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例题分析
例10-1 两相距很近的平行大平壁，表面黑度各为 0.8 和 0.6 ， 温 度 各 为 1200℃ 和 600℃ ， 试 计 算 ： （1）两表面间的辐射换热量；（2）如在两表面 间放置一块黑度为0.05的遮热板，此时的辐射换 热量又为多少？（3）遮热板的温度是多少？
1 32
1 2
1
5.67 14.734 8.734
1 0.8
1 0.05
1
1 0.05
1 0.6
1
5719W / m2 5.719kW / m2
26
（3）设遮热板的温度为T3，则
q1,3
Eb1 1 1
Eb3
1 31
1
5.67
1473
4
100
1 1
T3 100
4
6
10-2 热辐射的基本定律
一、热辐射能量的表示方法
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)
黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb.
7
二、热辐射的基本定律
1.斯蒂芬—玻尔兹曼定律（四次方定律）
——反映黑体辐射力与温度的关系.
Eb
Cb
(T 100
X1,2=1，X2,1=A1/A2
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二、两黑体表面间的辐射换热
1,2 A1Eb1X1,2 A2Eb2 X 2,1 A1X1,2 (Eb1 Eb2 )
表面1发出 表面 2发出
的热辐射 的热辐射
到达表面 到达表面
2的部分 1的部分
Eb1
Eb2
1,2
Eb1 Eb2 1
Eb1 Eb2 1
辐射势差 空间辐射热阻
Eb1 Eb2
1 A1 X1,2
12 2 A2
➢两种特例：
②空腔内包物体与空腔内壁 间：X1,2=1，X2,1=A1/A2.
当A1<<A2时，视A1/A2→0. （如电厂厂房内高温管道 的辐射散热属此情况）
1,2 1 A1 ( Eb1 Eb2 )
21
五、辐射换热的强化与削弱
1, 2
( Eb1 Eb2 ) A 1 1 1
同理，也可以定义表面2对表面1的角系数X2,1。
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2.角系数的性质：
➢ 基本性质：角系数只与 物体表面的形状、尺寸 以及物体间的相对位置 有关，而与物体的性质 和温度等无关，是纯几 何因子。
➢相对性：
A1 X1,2 A2 X 2,1
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相对性应用 ( A1 X1,2 A2 X 2,1)
➢ 对两相距很近的大平板：X1,2=X2,1=1 ➢ 对空腔内包物体（为平表面或凸表面）时：
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：
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1.气体辐射和吸收的特点 (1)气体的辐射和吸收对波长具有选择性。它
只在某些光带内具有发射和吸收辐射的本领，而 对于其他光带则呈现透明状态。(如图所示)
CO2 和H2O的主要吸收光带示意图
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(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
可以进入气体层，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 的发射率和吸收率还 与容器的形状和容积 大小有关。
热辐射就是热射线的传播过程。 热射线：波长为0.1～1000μm的电磁波。它包
含少量紫外线、可见光和红外线。
3
2. 特点：
（与导热和对流换热相比）
① 是一种非接触的热传递方式，在空间的传递依 靠热射线为载运体；
② 任何物体无论温度高低都存在热辐射现象，即 热辐射是物质的固有属性；
③ 在辐射换热过程中伴随有能量形式的转变：
影响辐射换热的因素有哪些？
（1）表面温度T； （2）表面黑度ε； （3）几何因素（物体形状、大小及相对位置等）.
引入辐射角系数
12
一、辐射角系数
1.角系数的定义：
表面1对表面2的角系数X1,2：表面1投射到表面2
上的辐射能，占表面1辐射总能量的百分比，即
Xபைடு நூலகம்1, 2
表面1直接投射到表面 2上的辐射能 表面1所发出的总辐射能
q J1 G1
上两式消去G1：对灰体α1=ε1
q1
Eb1 J1
1 1
1
1
Eb1 J1
1 1
1 A1
Eb1
J1
1 1 1 A1
表面辐射热阻网络图
式中，(1-ε1)/ε1A1为表面辐射热阻，它是因表面不是黑体而产生的热阻， 其大小取决于表面因素，故是除黑体以外的物体所特有的辐射热阻。
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四、两灰体表面间的辐射换热
1
q1,3,2
5719W
/ m2
0.8 0.05
由上式解得：T3=1278K，即t3=1005℃.
27
10-4 气体辐射
本节将简要介绍气体辐射的特点。在工 程中常见的温度范围内，多原子气体(如二 氧化碳和水蒸汽)具有很强的吸收和发射热 辐射的本领，在锅炉炉内换热分析中对烟 气的影响很大，而其他的气体则较弱。
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
第二篇 传热学
第十章 辐射换热
本章主要内容 热辐射的基本概念 热辐射的基本定律 物体间的辐射换热
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10-1 热辐射的基本概念
一、热辐射的本质及特点 1.概念本质：
（1）辐射：物体向外发射电磁波的现象。 （2）热辐射：由于热的原因向外发射电磁波（图） 的现象。（是三种基本热传递方式之一）
热辐射的本质：物质具有温度
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课外作业
教材P155.习题10-3、10-4
34
电磁辐射波谱
35
36
人工黑体模型
37
两个无限大平板的三种布置方式
38
热能(一物体) 辐射能(电磁波携带) 热能(另一物体)
4
二、物体对热辐射的吸收、反射和穿透
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
1
式中，α——吸收率； ρ——反射率； τ——穿透率.
5
1
对于大多数的固体和液体：（表面辐射和吸收）
0, 1
对于不含颗粒的气体：（内部辐射和吸收）
0, 1
➢三种理想辐射体：
①黑体：α=1（如：煤烟接近于黑体） 人工黑体：空腔壁上的小孔可视为人工黑体，在 热辐射的分析中有其特殊的重要性。 （动画）
②白体：ρ=1（如：高度磨光的金属板）
③透明体：τ=1（如：双原子气体及纯净的空气等）