自然對流換熱課件

第十一章輻射換熱1

第八章已指出，熱輻射是熱量傳遞的基本方式之一，以熱輻射方式進(jìn)行的熱量交換稱為輻射換熱。輻射換熱在熱能動力工程、核能工程、冶金、化工、航天、太陽能利用、干燥技術(shù)以及日常生活中的加熱、供暖等方面具有非常廣泛的應(yīng)用。

本章主要從宏觀的角度介紹熱輻射的基本概念、基本定律以及輻射換熱的計算方法。第十一章輻射換熱1第八章已指出，熱輻射是熱量傳遞的11-1

熱輻射的基本概念

21.

吸收、反射與透射

投入輻射:單位時間內(nèi)投射到單位面積物體表面上的全波長范圍內(nèi)的輻射能。GW/m2

反射輻射:G

W/m2

吸收輻射:G

W/m2

透射輻射:G

W/m2

11-1熱輻射的基本概念21.吸收、反射與透射3吸收比

反射比透射比

根據(jù)能量守恒，如果投入輻射是某一波長

的輻射能G

，則

光譜吸收比

光譜反射比

光譜透射比

與的關(guān)系：3吸收比反射比透射比根據(jù)能量守恒，如果投入輻射是某一波

不僅取決于物體的性質(zhì)，還與投射輻射能的波長分布有關(guān)。4

注意：

（1）屬于物體的輻射特性，取決于物體的種類、溫度和表面狀況，是波長的函數(shù)。

（2）固體和液體對輻射能的吸收和反射基本上屬于表面效應(yīng)：金屬的表面層厚度小于1m；絕大多數(shù)非金屬的表面層厚度小于1mm。

（3）對于固體和液體，。

鏡反射與漫反射：

產(chǎn)生何種反射決于物體表面的粗糙程度和投射輻射能的波長。不僅取決于物體的性質(zhì)，還與投射輻射能的52.

灰體與黑體

灰體：注意：黑體、白體與黑色、白色物體的區(qū)別。

光譜輻射特性不隨波長而變化的假想物體，即分別等于常數(shù)。絕對黑體：

吸收比

=1的物體，簡稱黑體。黑體和灰體一樣，是一種理想物體。人工黑體模型：

鏡體（漫反射時稱為白體）：

=1

絕對透明體

：

=1

52.灰體與黑體灰體：注意：黑體、白體與黑色、白色63.

輻射強(qiáng)度

輻射強(qiáng)度說明物體表面在空間某個方向上發(fā)射輻射能的多少。立體角：

半徑為r的球面上面積A與球心所對應(yīng)的空間角度，單位為Sr（球面度）

（

，

）方向上的微元面積

dA2對球心所張的微元立體角

63.輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度說明物體表面在空間某個方向7輻射強(qiáng)度：

單位時間內(nèi)從單位投影面積（可見面積）所發(fā)出的包含在單位立體角內(nèi)的所有波長的輻射能。

稱為dA1在（

，

）方向的輻射強(qiáng)度，或稱為定向輻射強(qiáng)度，單位是W/(m2

Sr)。

7輻射強(qiáng)度：單位時間內(nèi)從單位投影面積（可見面積）所發(fā)8

輻射強(qiáng)度的大小不僅取決于物體種類、表面性質(zhì)、溫度，還與方向有關(guān)。對于各向同性的物體表面，輻射強(qiáng)度與角

無關(guān)，。

光譜輻射強(qiáng)度：某波長輻射能的輻射強(qiáng)度稱為該波長的光譜輻射強(qiáng)度。

輻射強(qiáng)度與光譜輻射強(qiáng)度之間的關(guān)系光譜輻射強(qiáng)度的單位為W/(m3

Sr)或W/(m2

m

Sr)。

8輻射強(qiáng)度的大小不僅取決于物體種類、表面性質(zhì)、溫度，9

4.輻射力

輻射力：在單位時間內(nèi)，每單位面積表面向半球空間發(fā)射的全部波長的輻射能，用E表示，單位為W/m2。光譜輻射力：

單位時間內(nèi)，單位面積物體表面向半球空間發(fā)射的某一波長的輻射能，用E

表示，單位為W/m3。輻射力與光譜輻射力之間的關(guān)系定向輻射力：

在單位時間內(nèi)，單位面積表面向某方向發(fā)射的單位立體角內(nèi)的輻射能，用E

表示，單位為W/(m2sr)。94.輻射力輻射力：在單位時間內(nèi)，每單位面10定向輻射力與輻射力之間的關(guān)系：定向輻射力與輻射強(qiáng)度之間的關(guān)系：輻射力與輻射強(qiáng)度之間的關(guān)系：10定向輻射力與輻射力之間的關(guān)系：定向輻射力與輻射強(qiáng)度之間11-2

黑體輻射的基本定律

111.普朗克（Planck）定律2.斯忒藩-玻耳茲曼（Stefan-Boltzmann）定律3.蘭貝特（Lambert）定律11-2黑體輻射的基本定律111.普朗克（Planck121.普朗克定律C1=3.743×10-16W

m2;C2=1.439×10-2mK。

特點(diǎn)：

（1）溫度愈高，同一波長下的光譜輻射力愈大；

（2）在一定的溫度下，黑體的光譜輻射力在某一波長下具有最大值；

（3）隨著溫度的升高，Eb

取得最大值的波長

max愈來愈小，即在

坐標(biāo)中的位置向短波方向移動。121.普朗克定律C1=3.743×10-16Wm13維恩（Wien）位移定律:

太陽表面溫度約為5800K，由上式可求得

max=0.5

m，位于可見光范圍內(nèi)，可見光占太陽輻射能的份額約為44.6%。

對于2000K溫度下黑體,可求得

max=1.45

m，位于紅外線范圍內(nèi)。

2.斯忒藩-玻耳茲曼定律

斯忒藩-玻耳茲曼定律表達(dá)式：

式中

=5.67×10-8W/(m2

K4)，稱為斯忒藩-玻耳茲曼常量(數(shù))，又稱為黑體輻射常數(shù)。

（四次方定律）

13維恩（Wien）位移定律:太陽表面溫度約為5814

斯忒藩—玻耳茲曼定律表達(dá)式可直接由下式導(dǎo)出：

波段輻射力波段輻射力占黑體輻射力Eb的百分?jǐn)?shù)

14斯忒藩—玻耳茲曼定律表達(dá)式可直接由下式導(dǎo)出：15

根據(jù)普朗克定律表達(dá)式，

f(T)稱為黑體輻射函數(shù)，表示溫度為T的黑體所發(fā)射的輻射能中在波段0～

內(nèi)的輻射能所占的百分?jǐn)?shù)。

利用黑體輻射函數(shù)數(shù)值表（309頁表11－1）可以很容易地用下式計算黑體在某一溫度下發(fā)射的任意波段的輻射能量：

15根據(jù)普朗克定律表達(dá)式，f(T)稱為黑體輻射函163.蘭貝特定律

蘭貝特定律:黑體的輻射強(qiáng)度與方向無關(guān)，半球空間各方向上的輻射強(qiáng)度都相等。

漫發(fā)射體：

空間各個方向上輻射強(qiáng)度都相等的物體。

根據(jù)定向輻射力與輻射強(qiáng)度的關(guān)系En為表面法線方向的定向輻射力。蘭貝特定律也稱為余弦定律。

根據(jù)輻射力與輻射強(qiáng)度的關(guān)系可求得163.蘭貝特定律蘭貝特定律:黑體的輻射強(qiáng)度與方向1711-3

實際物體的輻射特性，基爾霍夫定律1.

實際物體的發(fā)射特性

發(fā)射率（黑度）：發(fā)射率反映了物體發(fā)射輻射能的能力的大小。

光譜發(fā)射率（光譜黑度）：發(fā)射率與光譜發(fā)射率之間的關(guān)系為對于灰體，

＝常數(shù)，

1711-3實際物體的輻射特性，基爾霍夫定律1.實際物體18

實際物體的光譜輻射力隨波長的變化規(guī)律不同于黑體和灰體，實際物體的光譜發(fā)射率是波長的函數(shù)。

在工程計算中，實際物體的輻射力可以由下式計算：

實際物體的輻射力并不嚴(yán)格遵循四次方定律，所存在的偏差包含在由實驗確定的發(fā)射率數(shù)值之中。

定向發(fā)射率（定向黑度）：

實際物體不是漫發(fā)射體，定向發(fā)射率是方向角

的函數(shù)。ελ18實際物體的光譜輻射力隨波長的變化規(guī)律不同于黑體和19幾種非金屬材料的定向發(fā)射率金屬非金屬

實際物體發(fā)射率數(shù)值大小取決于材料的種類、溫度和表面狀況，通常由實驗測定。

半球總發(fā)射率19幾種非金屬材料的定向發(fā)射率金屬非金屬實際物體發(fā)202.

實際物體的吸收特性

實際物體的光譜吸收比也與黑體、灰體不同，是波長的函數(shù)。幾種金屬材料的光譜吸收比202.實際物體的吸收特性實際物體的光譜吸收比也21

輻射特性隨波長變化的性質(zhì)稱為輻射特性對波長的選擇性。實際物體的吸收比不僅取決于物體本身材料的種類、溫度及表面性質(zhì)，還和投入輻射的波長分布有關(guān)，因此和投入輻射能的發(fā)射體溫度有關(guān)。幾種非金屬材料的光譜吸收比21輻射特性隨波長變化的性質(zhì)稱為輻射特性對波長的選擇22

工程上的熱輻射主要位于0.76～10

m的紅外波長范圍內(nèi)，絕大多數(shù)工程材料的光譜輻射特性在此波長范圍內(nèi)變化不大，因此在工程計算時可以近似地當(dāng)作灰體處理。一些材料對黑體輻射的吸收比隨黑體溫度的變化。

22工程上的熱輻射主要位于0.76～10233.基爾霍夫（G.R.Kirchhoff）定律

基爾霍夫定律揭示了物體吸收輻射能的能力與發(fā)射輻射能的能力之間的關(guān)系，其表達(dá)式為

說明吸收輻射能能力愈強(qiáng)的物體的發(fā)射輻射能能力也也愈強(qiáng)。在溫度相同的物體中，黑體吸收輻射能的能力最強(qiáng)，發(fā)射輻射能的能力也最強(qiáng)。

對于漫射體，輻射特性與方向無關(guān)，

對于漫射、灰體，輻射特性與波長無關(guān)，233.基爾霍夫（G.R.Kirchhoff）定律24

對于工程上常見的溫度范圍（T≤2000K），大部分輻射能都處于紅外波長范圍內(nèi)，絕大多數(shù)工程材料都可以近似為漫發(fā)射、灰體，不會引起較大的誤差。但在太陽能利用中就不能簡單地將物體當(dāng)作灰體。這是因為近50%的太陽輻射位于可見光的波長范圍內(nèi)，而自身熱輻射位于紅外波長范圍內(nèi)，由于實際物體的光譜吸收比對投入輻射的波長具有選擇性，所以一般物體對太陽輻射的吸收比與自身輻射的發(fā)射率有較大的差別。24對于工程上常見的溫度范圍（T≤2000K），大11-4

輻射換熱的計算方法

251.角系數(shù)

假設(shè)：

（1）進(jìn)行輻射換熱的物體表面之間是不參與輻射的介質(zhì)(單原子或結(jié)構(gòu)對稱的雙原子氣體、空氣)或真空；

（2）每個表面都是漫射、灰體或黑體表面；

（3）每個表面的溫度、輻射特性及投入輻射分布均勻。

（1）角系數(shù)的定義

從表面1發(fā)出的總輻射能中直接投射到表面2上份額稱為表面1對表面2的角系數(shù)，用符號X1,2表示。11-4輻射換熱的計算方法251.角系數(shù)假設(shè)：26

假設(shè)表面1、2都是黑體表面，根據(jù)輻射強(qiáng)度的定義，單位時間內(nèi)從dA1發(fā)射到dA2上的輻射能為從整個表面1發(fā)射到表面2的輻射能為26假設(shè)表面1、2都是黑體表面，根據(jù)輻射強(qiáng)度的定義，27

根據(jù)角系數(shù)的定義,角系數(shù)X1,2和X2,1分別為可以看出，在上述假設(shè)條件下，角系數(shù)是幾何量，只取決于兩個物體表面的幾何形狀、大小和相對位置。

（2）角系數(shù)的性質(zhì)

1）相對性（互換性）：

2）完整性：27根據(jù)角系數(shù)的定義,角系數(shù)X1,2和X2,1分別28

3）角系數(shù)的可加性：

（3）角系數(shù)的計算方法

有積分法、代數(shù)法、圖解法(或投影法)等

1）積分法：

根據(jù)角系數(shù)表達(dá)式通過積分運(yùn)算求得角系數(shù)結(jié)果查有關(guān)手冊（書327頁表）283）角系數(shù)的可加性：（3）角系數(shù)的計算方法29

2）代數(shù)法：

利用角系數(shù)的定義及性質(zhì),通過代數(shù)運(yùn)算確定角系數(shù)。

圖(a)、(b)：

圖(c)：

圖(d)：

三個非凹表面構(gòu)成的封閉空腔完整性相對性292）代數(shù)法：利用角系數(shù)的定義及性質(zhì),3030312.黑體表面之間的輻射換熱

對于任意位置的兩個黑體表面1、2，據(jù)角系數(shù)定義稱為空間輻射熱阻

312.黑體表面之間的輻射換熱對于任意位置的兩個32

如果由n個黑體表面構(gòu)成封閉空腔,那么每個表面的凈輻射換熱量為

注意：

1,2是兩個任意位置的黑體表面1、2之間直接的輻射換熱量，沒考慮其它表面的影響。如果兩個黑體表面構(gòu)成封閉腔，則

1,2是兩個表面凈交換的熱量。輻射網(wǎng)絡(luò)32如果由n個黑體表面構(gòu)成封閉空腔,那么每個表面的333.灰體表面之間的輻射換熱

（1）有效輻射

單位時間內(nèi)離開單位面積表面的總輻射能,用符號J表示,單位是W/m2。

單位面積的輻射換熱量上兩式聯(lián)立可解得自身的輻射力反射的投入輻射有效輻射投入輻射(漫灰表面)333.灰體表面之間的輻射換熱（1）有效輻射單位34稱為表面輻射熱阻

對于黑體表面，

=1，表面輻射熱阻為零，。

（2）兩個漫灰表面構(gòu)成的封閉空腔中的輻射換熱

若兩個漫灰表面1、2構(gòu)成封閉空腔,T1>T2，則表面1凈損失、表面2凈獲得的熱量分別為表面輻射熱阻網(wǎng)絡(luò)單元34稱為表面輻射熱阻對于黑體表面，=1，表面輻射熱35

表面1、2之間凈輻射換熱量為

根據(jù)封閉腔的能量守恒，

聯(lián)立以上三式，可得兩表面封閉空腔的輻射網(wǎng)絡(luò)

空間輻射熱阻網(wǎng)絡(luò)單元35表面1、2之間凈輻射換熱量為根據(jù)封閉腔36

對于兩塊平行壁面構(gòu)成的封閉空腔

1,2

稱為系統(tǒng)黑度

對于凸型物體1和包殼2之間的輻射換熱,如果，36對于兩塊平行壁面構(gòu)成的封閉空腔1,2稱為系11-5

遮熱板的原理

37

遮熱板的主要作用就是削弱輻射換熱。下面以兩塊靠得很近的大平壁間的輻射換熱為例來說明遮熱板的工作原理。

沒有遮熱板時，兩塊平壁間的輻射換熱有2個表面輻射熱阻、1個空間輻射熱阻。

在兩塊平壁之間加一塊大小一樣、表面發(fā)射率相同的遮熱板3，

如果忽略遮熱板的導(dǎo)熱熱阻，則總輻射熱阻增加了1倍，輻射換熱量減少為原來的1/2，即11-5遮熱板的原理37遮熱板的主要作用就是削弱38

如果加n層同樣的遮熱板，則輻射熱阻將增大n倍，輻射換熱量將減少為

遮熱板通常采用表面發(fā)射率小、表面輻射熱阻大的材料，如表面高度拋光的薄鋁板