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1、1,3 辐射换热,2,概述1.1 热辐射的基本概念,热辐射是热量传递的三种基本方式之一。特点：(1) 无须介质； (2) 温度场可以不连续； (3) 传递中有能量形式转变； (4) 传热量与温度非线性关系。,自然对流：,热辐射：,3,如太阳向地球辐射：,4, 由于物体温度高于热力学温度零度时，电子跃 迁释放出能量，这种仅与温度有关的辐射称为 热辐射。, 热辐射是一种电磁波，其波长为0.4 1000 m 它包括了可见光和红外光波段（频谱）。,可见光：0.4 0.76 m（紫-红）红外线：0.76 1000m 其中：近红外 0.76 25 m 远红外 25 1000 m太阳表面5800K，=0.2
2、 2 m（集中于）工业炉2000K， =0.8 40 m（集中于）,5,由此可知，热辐射在可见光与红外区域，工业炉热辐射集中在红外的近红外区域。,热辐射可被物体吸收，吸收后又重新变为热能。它的传播与可见光一样，同样服从直进、反射和折射等定律。,由于物体既可辐射出热射线，又可吸收来自其它物体的热射线，因此物体总是处于热辐射的动态平衡之中。究竟是吸热还是放热？要看辐射的与吸收的之中哪个较多。,6,1.2 黑体、白体和透热体,投射至一物体的热辐射能可分为三部分：,吸收系数(率)：A = QA/Q；反射系数(率)：R = QR/Q；透射系数(率)：D = QD/Q； A + R + D = 1,7,三
3、种理想物体：(1)（绝对）黑体：A=1；(2)（绝对）白体：R=1；(3)（绝对）透热体：D=1,8,雪（白漆）： 光学上：R，是白的； 全波段：A，是黑的。 (=0),注意：热辐射的波段大部分在红外区，而可见 光仅占很小一部分，因此在可见光区域 吸收率A很小、反射率 R 很大的物体， 在全波段也可能是“黑”的。,9,一般来说，物体表面愈粗糙，愈近于“黑体”，而不主要取决于在可见光波段的视觉颜色。 在相同温度下，黑体的辐射最强，规律性也最强。,10,1.3 黑体模型,一般是用一开有小孔的、壁面温度均匀的空腔作为黑体模型，因为热射线在射入空腔后，经过多次的反射、吸收后，几乎全部被吸收。,小孔愈小
4、，愈接近于黑体。模型的 Am 0.996 1以下角标“ 。”表示黑体,11,2 热辐射的基本定律2.1 普朗克（Plamck）辐射定律,辐射能按波长分布不同0或时，E=0，某一波长时，E有极大值,半球体辐射，只考虑辐射面，不考虑接收面。,12,辐射能力E：单位时间内、单位（发射面） 面积上、向半球面空间、在全波段范围内 （=0）辐射出去的总能量，W/m2,单色辐射能力E：单位时间内、单位（发 射面）面积上、某波长附近的单位波长 间隔内、向半球面空间、辐射出去的能量， W/m3,13,即：某一波段 至(+d) 范围内，单色辐射能 力E ： E= f ( , T),黑体，单色辐射能力：,14,可以
5、看出：随着温度的升高，热辐射急剧加强；在低于800K时热辐射是很弱的。,T 曲线峰升高（热辐射 加强）T 曲线峰降低（热辐射 减弱）且随T ，极大值向短波长方向移动，曲线包围的面积。,15,由于随着温度升高，可见光相应增多，亮度也逐渐增加，所以颜色变化“色温”（由红橙色黄白白里泛青色）,16,2.2 维恩偏移定律,对普朗克定律求导，并令其等于0，即可求出极大值E,0,max和max，此时有维恩定律：,Tmax=2896（mK）,可以看出，随着T，最大单色辐射能力向短波长方向移动。,17,18,依据维恩偏移定律，可以根据max判断黑体表面的温度。,如：(1) 测得太阳光谱的 max= 0.5 m
6、， 则太阳表面的温度： T = 2896/0.5 = 5792 K 5800 K,(2) 人的体温37C，（T=273+37=310K） 则：max= 2896/310 9.34 m,19,设计涂层，需先知道max,20,2.3 斯蒂芬波尔茨曼定律 (Stefan-Boltzmann),式中： （S-B）常数，5.66910-8W/m2K4 c0黑体的辐射系数，5.669W/ m2K4,21,上式是在全波长范围内对普朗克定律积分得到的：,22,2.4 灰体,理想灰体（简称灰体）若某物体的辐射光谱是连续的（全波段），且在任何温度下所有各波长射线的单色辐射能力与同温度下黑体的单色辐射能力之比为一定
7、值，则此物体称为理想灰体，该比值称为单色黑度（），且不随波长而变化，等于总辐射的黑度（ ）。,23,= 固定值（const）,24,单色辐射与黑体辐射（同波长）具有相似的曲线，这时单色辐射物称为灰体。, 单色黑度 黑度 0 0，0 cos 1 E,0= En,0 cos = I,0 cos = I0cos,在法线方向（穹顶）： =0，cos =1 E,0=En,0=I,0=I0,31,黑体向半球面总辐射能力：,W/m2,(2),32,即单位时间、单位辐射面、单位立体角在法线方向的辐射能是总辐能的1/。 其它方向的辐射力按余弦定律求解。,灰体亦然： =const，所以：,33,实际物体：并不严格
8、遵守兰贝特定律。 const,34,2.6 克希霍夫（Kirchhoff）定律,对于左边(任意物体)：,若处于热平衡状态：T1=T2则有：,35,克希霍夫定律：任何物体的辐射力与其吸收率之比，恒等于同温度下黑体的辐射力，且只与温度有关，与物性无关。,对于灰体1：E1= 1E0；所以： 1=A1,克希霍夫定律说明：任何物体的吸收率等于同温度下的黑度；即辐射能力大的物体其吸收本领亦必定大。,36,根据兰贝特定律，单位时间、单位立体角、单位辐射面面积的辐射能为：,3 物体（固体）间的辐射换热,讨论固体间的辐射传热，需考虑两个问题： 实际物体的几何因素相当于空间热阻；(2) 实际物体与黑体的区别相当于
9、表面热阻。,3.1 黑体间（任意位置时）的辐射换热,如图：,37,由dF1至dF2投射能量为：,由dF1发射：,W/m2sr,38,同理，由dF2至dF1投射能量为：,两黑体间有限面积F1、F2之间的总辐射能为：,由F1至F2：,由F2至F1：,39,两黑体间净辐射换热量：,因为：Q1,0 = E1,0F1 -黑体1发射的总能量； Q2,0 = E2,0F2 -黑体2发射的总能量；,40,角系数：一物体投射到另一物体表面的能量与 该物体总投射能量之比，即：,所以两黑体净辐射换热量：,41,将斯蒂芬波尔茨曼定律代入，得：,W,两黑体间辐射传热的结果，将热能从温度较高的黑体传给温度较低的黑体。,4
10、2,3.2 角系数,角系数的基本性质：,(1) 相对性：,(2) 自见性：指一物体表面辐射出去的能量投向 自身表面的份数。,平面和凸面无自见性：,凹面有自见性：,43,(3) 完整性：由n个表面组成的封闭体系(空间)，其中任何一个表面辐射出去的能量将全部分配到体系内的各个表面上。,44,(5) 分解性：,(4) 兼顾性：在任意两物体1、2之间设置透热体3， 当不考虑路程对辐射热量的影响时：,45,一些简单情况下的角系数：,(1) 两无限大平行平面：,根椐完整性：,根椐自见性：,46,根椐完整性：,根椐自见性：,根据相对性：,(2) 一物包一物或一平面与一曲面,47,同理，由F2发射：,48,(
11、3) 两凹面（相当于两个“一平面与一凹面”）,根据兼顾性：,复杂的可查附录九,49,3.3 灰体间的辐射换热,二灰体：1，A1。（通常固体的D=0） 反复的吸收、反射以至无穷。,为简化问题，奥本海姆（Oppenheim）提出辐射网络法（从物理角度）。,(2) 有效辐射(J)单位时间内从单位表面积 辐射出去的总能量。 W/m2,(1) 投射辐射(G)单位时间内投射到单位面 积上的总辐射能量。 W/m2,引入两个物理概念：,50,根据定义 (能量守恒) ：,51,W,灰体表面换热的热流量即离开灰体表面的净辐射能量等于该表面有效辐射与投射辐射之差。即：,52,如右图：,端电压：,等效电路与右图比较：
12、,辐射表面热阻：,53,二灰体表面辐射情况：,离开F1到达F2表面的能量为：J1F11,2离开F2到达F1表面的能量为：J2F22,1,54,两个灰体表面间的净辐射热量为：,-（1）,55,上面第二式通分后得：,等效电路网络图：,56,57,其中：1,2系统导来黑度（两灰体间）。,58,关于1,2的讨论：,(1) 二灰体,影响因素：(a) T4 T4 = (T4 ) (b) 1,2 (c) 1,2F1（发射面面积）,59,(2) 两个无限大平面,如果1 2，且11，则1,2 2（1,2决定于小黑度物体的黑度！）,60,(3) 若是一平面与一凹面或一物包一物,如果F2F1，则1,21说明1,2 的值主要取决于小面积物体的黑度！,61,三个灰体（多个）表面组成复杂辐射网络,62,依照电学中克希霍夫（第一）定律达到稳定时，流入每个节点的电流（热流量）之代数和等于零。,
