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传热学_辐射部分教材

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传热学-第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性

传热学-第八章热辐射基本定律及物体的辐射特性

17
对于指定波长，而在方向上平均的
E 情况，则定义了半球光谱发射率，
即实际物体的光谱辐射力与黑体的
λ
光谱辐射力之比
ε
,T E ,ac etm ua ,iT tlt e E d ,T E ,blac,T kbE o b d, y T
这样，前面定义的半球总发射率则可以写为：
Absorptivity deals with what happens to __________________ _____________, while
emissivity deals with __________________ ___
Semi-transparent medium
24
首先介绍几个概念： 1. 投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能 2. 选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际
(4)立体角 定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位： sr(球面度)，如图8-8和8-9所示：
dd rA 2c s indd
10
图8-8 立体角定义图
11
图8-9 计算微元立体角的几何关系
12
(5) 定向辐射强度L(, )：
定义：单位时间内，物体在垂直发射方向的单位面积上，
在单位立体角内发射的一切波长的能量，参见图8-10。
E 2 L co d sL
图8-11 Lambert定律图示
14
§ 8-3 实际固体和液体的辐射特性
1 发射率 ❖ 前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热
辐射的能力最强，包括所有方向和所有波长； ❖ 真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体； ❖ 因此，定义了发射率 (也称为黑度) ：相同温度下，

传热学基础(第二版)第七章教学课件 辐射换热教材

传热学基础(第二版)第七章教学课件 辐射换热教材
31/84
把论述对象从一般物体简化为灰体，去
换句话说，善于辐射的物体必善于吸收。值 得指出，上述基尔霍夫定律推导中的两个约束 条件，即只在热平衡状态下适用和投入辐射限 于黑体辐射，不能满足换热计算的要求。在大 量换热计算中涉及的恰恰是热不平衡状态以及 非黑体的投入辐射。以下论述在于说明在什么 条件下两个约束条件才可以去除。
27/84
首先应当指出，物体的吸收率α是材料在 整个波长范围内的积分平均性能。它的复杂性 来源于吸收率和投来辐射都随波长作不规则的 变化。图7-8示出单色吸收率α λ依波长变化的 例子。
最大单色辐射力所对应的波长λm。 解 可直接应用式(7-7)计算：
T=2000K时，
m 2.9 10 8
2000
1.45m
T=5800K时，
m 2.9 10 3
5800
0.50 m
计算结果表明，在工业上的一般高温范围
(约2000K)，黑体辐射峰值的波长位于红外线区 段，而太阳表面温度(5800K)的黑体辐射峰值的 波长则位于可见光区段。
14/84
图7-6为普朗克定 律式的图示。按照普朗 克定律，在热辐射有实 际意义的区段内，单色 辐射力先随着波长的增 加而增大，过一峰值后 则随波长的增加而减小。
随温度升高，热辐 射中可见光的比例在不 断增加。
15/84
细心观察图7-6上的曲 线可以发现，曲线的 峰值随着温度的升高 移向较短的波长。
6/84
当表面的不平整尺寸 小于投射辐射的波长时， 形成如图7-3所示的镜面 反射，此时入射角等于反 射角。高度磨光的金属板 是镜面反射的实例。当表 面的不平整尺寸大于投射 辐射的波长时，形成漫反 射。
7/84
漫反射的射线是十分不规 则的，如图7-4所示。一般工 程材料的表面都形成漫反射。

传热学-第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性

传热学-第七章热辐射基本定律及物体的辐射特性

定律 表示式 说明
韦恩位移定律 λmax = b / T 黑体辐射波长与温度的关系
理想黑体的辐射特性
理想黑体具有尽可能高的吸收率和发射率，同时它是完美的热辐射体，能够根据其温度和波长分布发射出连续 的辐射能量。
实际物体的辐射特性
实际物体的辐射特性受到其表面性质的影响。反射率与吸收率、发射率与辐射率以及雷诺茨定律帮助我们了解 和描述实际物体的辐射情况。
反射率与吸收率
实际物体吸收和反射辐射能量 的能力
发射率与辐射率
实际物体辐射能量的发出能力
雷诺茨定律
物体在达到热平衡后，各表面 温度和总发射能力一致
热辐射的应用和实例
热辐射广泛应用于热工技术、太阳能技术、计算机热管理等领域。例如，太阳能电池利用光照下的热辐射转换 为电能。
太阳能电池
利用光照下的热辐射转换为电能
传热学-第七章热辐射基 本定律及物体的辐射特性
了解热辐射的基本概念和定义，掌握热辐射的三大基本定律：斯特藩-玻尔兹 曼定律，基尔霍夫定律和韦恩位移定律。
斯特藩-玻尔兹曼定律
斯特藩-玻尔兹曼定律揭示了黑体辐射功率与温度的关系，P = εσT4，其中P为辐射功率，ε为辐射率，σ为斯特 藩-玻尔兹曼常数。
定律 表示式 说明
斯特藩-玻尔兹曼定律 P = εσT4 黑体辐射功率与温度的关系
基尔霍夫定律
基尔霍夫定律阐明了一个物体表面的吸收率和发射率相等，α = ε。
1 基尔霍夫定律
物体表面的吸收率和发射率相等
韦恩位移定律
韦恩位移定律描述了黑体辐射波长与黑体温度之间的关系，λmax = b / T，其中λmax是峰值辐射波长，b是韦恩 位移常数。
总结和要点
• 热辐射包括斯特藩-玻尔兹曼定律、基尔霍夫定律和韦恩位移定律 • 理

传热学第八章辐射换热的计算

传热学第八章辐射换热的计算

02
辐射换热的计算方法
辐射换热的基本公式
斯蒂芬-玻尔兹曼方程
描述了物体在任意温度下的辐射功率，是辐射换热的基本公式。
辐射力方程
表示物体发射和吸收的辐射能与物体表面温度和周围环境温度之间 的关系。
辐射传递方程
表示在给定温度和光谱发射率下，物体表面发射和吸收的辐射能与 物体表面温度之间的关系。
辐射换热的角系数法
表面传热系数的计算方法
通过实验测定或经验公式计算表面传热系数， 需要考虑表面粗糙度和涂层的影响。
表面传热系数的应用
适用于简化模型或近似计算中的辐射换热计算。
辐射换热的积分方程法
积分方程的建立
根据斯蒂芬-玻尔兹曼方程和边界条件建立积分方程。
积分方程的求解方法
采用数值方法求解积分方程，如有限元法、有限差分 法等。
太阳能利用
通过优化太阳能集热器的设计，提高太阳能辐射的吸收和 转换效率，降低太阳能利用成本，有助于减少化石能源的 消耗和碳排放。
05
辐射换热的发展趋势与展 望
新型材料的辐射换热特性研究
总结词
随着科技的发展，新型材料不断涌现，对新型材料的辐射换热特性研究成为当 前热点。
详细描述
新型材料如碳纳米管、石墨烯等具有独特的物理和化学性质，其辐射换热特性 与传统材料有所不同。研究这些新型材料的辐射换热特性有助于发现新的传热 机制，提高传热效率。
感谢观看
THANKS
传热学第八章辐射 换热的计算
目 录
• 辐射换热的基本概念 • 辐射换热的计算方法 • 辐射换热的实际应用 • 辐射换热的优化与控制 • 辐射换热的发展趋势与展望
01
辐射换热的基本概念
定义与特性
定义

传热学V4-第九章-辐射传热的计算1

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

传热学(第10章--辐射换热)

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：

传热学课件第六章辐射换热计算


X 1,3

A1 A3 A2 2 A1
X 2,1

A2
A1 A3 2 A2
X 2,3

A2
A3 A1 2 A2
X 3,1

A3 A1 A2 2 A3
X 3,2

A3
A2 2 A3
A1
3．查曲线图法
利用已知几何关系的角系数，确定
其它几何关系的角系数。 例：如图，确定X1,2 由相互垂直且具有公共边的长方形表面
• 若A2和A3的温度相等，则有
J2A2X2，1＋J2A3X3，1 =J2 A2+3X(2+3)，1 角系数的可加性
即 A2+3X(2+3)，1＝A2X2，1＋A3X3，1
利用角系数的可加性，应注意只有对角系数
符号中第二个角码是可加的。
• 三、角系数的确定方法
角系数的确定方法很多，从角系数的定义直 接求解法、查曲线图法、代数分析法和几何图形 法，这里主要介绍定义直求法和代数分析法。
一、表面辐射热阻
对于任一表面A，其本身辐射为E=ε Eb， 投射辐射为G，吸收的辐射能为α G。向外 界发出的辐射能为
J E G Eb 1 G （a）
因此，表面A的净热流密度为
q ＝ J－G
（b）
对于灰体表面α ＝ε ，联解（a）和（b），
消去G得
q

Eb J
1
第六章 辐射换热计算
例内 重 基 题容 点 本 赏精 难 要 析粹 点 求
基本要求
1.掌握角系数的意义、性质及确定方法。 2.掌握有效辐射的确定方法。 3.熟练掌握简单几何条件下透热介质漫灰
面间辐射换热的计算方法。 4.掌握遮热板的原理及其应用

传热学课件第五章辐射换热理论

E E d
0

d
在相同的温度下以黑体的辐射力最大 ,
用Eb表示,则实际物体的辐射力E为
E = ε Eb
式中：ε 为物体的发射率（或黑度）；
Eb为同温度下黑体的辐射力,W/m2。
二 、有效辐射 物体表面除了因本身的温度特性向外 界发出本身辐射外 ,其它物体投射到物体表 面上的投射辐射还有部分被反射。本身辐 射和反射辐射之和称为有效辐射,记为J,单 位为w/m2,即 J = E + ρ G 式中,E称为发射辐射或本身 辐射,ρ G为反射辐射,G称为该 表面接受到的投入辐射。 有效辐射在辐射换热的分析和计算中 非常重要。
Fb ( 01T ) 0.07025%, Fb ( 02T ) 8.88%
则 F b ( 1T 2T ) Fb ( 0 2T ) Fb ( 0 1T ) 8.88% 0.07025% 8.81%
结果分析:在灯丝发出的辐射能中，可见光只 占8.81％，其余91.19％属于不可见的红外辐射， 并转化为热能，散失到周围环境中，钨丝灯作为光 源其效率是很低的。
进行辐射换热计算时，需要计算物体辐射能 力的大小。对于黑体辐射可从普朗克定律积分得 出 Eb ＝σ bT4 W/m2 式中：σ b为黑体辐射常数，σ b＝5.67×10－8W/ （m2·K4）；T为黑体热力学温度，K。 上式也可 4 写为 T Eb c0 2 W/m 100 式中：c0为黑体辐射系数，c0＝5.67。 上式表明黑体的辐射力与热力学温度的四次 方成正比，故又称为四次方定律。
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重点与难点
重点：
1. 热辐射的特点、热辐射表面的性质。 2. 辐射力、黑体、灰体、有效辐射等基本 概念。 3. 热辐射基本定律。 4. 气体辐射的特点。

传热学_第十二章__辐射换热

Iθ
1
Iθ
2
In
根据定向辐射力和定向辐射强度的关系
E θ I θ cos I n cos E n cos
定向辐射力的数值和其与法线间的成角θ 有关，其值正 比于该夹角的余弦，且以法线方向的定向辐射力最大 实际物体表面不遵循兰贝特余弦定律
第十二章 辐射换热 热辐射的基本概念
灰体
单色发射率不随波长而变化的物体，我们称之为灰体
作为一种研究中的假想物体，在自然界中灰体并不存在的 ； 灰体的辐射力遵循斯蒂芬-玻尔兹曼定律，即
λ f
T E C 100
4
T Cb 100
4
C─灰体辐射系数

§12-4 气体辐射
(一) 气体辐射的特点
• 空气、O2 、N2 、H2 等结构对称的双原子气 体没有辐射和吸收能力 • 多原子气体以及结构不对称的双原子气体 有相当的辐射本领
1.气体辐射对波长具有强烈的选择性
• 每一种气体只有在一定的波长范围内才有辐射和吸收能 力
• O3可以全部吸收波长小于0.3m的紫外线
E oλ c1
2 5 T e 1
c
式中，λ— 波长，μm ；
T — 绝对温度，K ； c c1 — 第一辐射常数， 3 . 743 10 W μm m ； c2 — 第二辐射常数， 2 1 . 439 10 4 μm K ； c
8 4 2 1
角系数的特征
1、角系数的相对性
F1 X 1 , 2 F 2 X
2 ,1
n
2、角系数的完整性

j 1
X
i, j

传热学-第八章 热辐射特性


§ 8-3 固体和液体的辐射特性
发射率 前面定义了黑体的发射特性：同温度下，黑体发射热辐 射的能力最强，包括所有方向和所有波长；
真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；
因此，定义了发射率 (也称为黑度) ：相同温度下，实际 物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:
E E 4 Eb T
c2 T
5
0
1
d T
0
内所发射的辐射力：
Eb 1 2 Fb 0 2 Fb 0 1 Eb
图8-7 特定波长区段内的黑体辐射力
11


立体角
定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)
dAc rd r sin d d 2 sin d d 2 r r
0.76 0.38
Eb dλ=0.45Fb0.380.76 Eb

E 0.380.76 E
§8-4
实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系
上一节简单介绍了实际物体的发射情况，那么当外界 的辐射投入到物体表面上时，该物体对投入辐射吸收 的情况又是如何呢？
Semi-transparent medium
吸收比为
吸收的总能量 1 投入的总能量


0
( , T1 ) ( , T2 ) Eb (T2 )d


0
( , T2 ) Eb (T2 )d
f (T1 , T2 , 表面1的性质， 表面2的性质)
32
如果投入辐射来自黑体，由于 b ( , T2 ) 1 ，则上式可为
第八章 热辐射基本定律 和辐射特性
1
§8-1 热辐射的基本概念
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第八章 热辐射的基本定律
分子、原子、电子等基本粒子组成，当原子内部的电子受激和振 动时就会产生交替变化的电场和磁场，发射电磁波向空间传播， 因此发射辐射能是各类物质的固有特性。能量传递的方式有电(或 磁)、热、力等，热辐射仅是辐射能中的一种。 电磁波谱 电磁辐射包含了多种形式(见下图)，其中我们所感兴趣的(工业上 有实际意义的)热辐射区域一般为0.1~100μm。
第八章 热辐射的基本定律
物体对热辐射的吸收、反射和穿透 当热辐射投射到任何物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸 收、反射和穿透。
Φα+ Φρ+ Φτ= Φ → α+ρ+τ=1 其中：α=Φα /Φ称为物体的吸收比； ρ为反射比； τ为穿透比。 对于大多数的固体和液体： τ=0， α+ρ=1； 对于不含颗粒的气体： ρ=0， α+τ=1； 对于黑体： α=1； 镜体或白体： ρ=1； 透明体： τ=1； 如果投射能量是某一波长下的能量，同样有αλ+ρλ+τλ =1；其中αλ、 ρλ和τλ分别为光谱吸收比、光谱反射比和光谱穿透比。
第八章 热辐射的基本定律
自然界中并不存在绝对的黑体、白体和透明体，只是实际物体的
理想模型，而且黑体、白体和透明体都是对全波长而言。在一般
温度下，可见光在全波长射线中只占有一小部分，因此物体对外
来射线吸收能力的高低不能单凭物体的颜色。如雪对可见光是良
好的反射体(肉眼看起来是白色的)，但对红外线却几乎全部吸收(
第八章 热辐射的基本定律
各种电磁波在介质中的传播速度等于光速，电磁波的传播速度： c=λf，量子理论认为辐射是离散的量子化能量束，也就是光子传播 能量的过程，光子的能量e与频率f可表示为普朗克公式：e=hf；其 中h为普朗克常数，h=6.63×10-34J∙s。 热辐射的本质决定了热辐射特点 任何物体只要温度高于0K，不停地向周围空间发出热辐射；即使 各个物体温度相同，物体发射和吸收的辐射能相等(动态平衡)。 可以在真空中传播； 伴随能量形式的转变； 具有强烈的方向性； 辐射能与温度和波长均有关； (黑体)发射辐射取决于温度的4次方。
公司
徽标
传热学 – 辐射换热部分
第八章 热辐射的基本定律
本章内容要求 重点内容： ① 认识热辐射的本质与特点； ② 理解热辐射的基本定律，即普朗克定律、斯蒂芬-波尔兹曼定 律、兰贝特余弦定律和基尔霍夫定律。 掌握内容：热辐射的特点和基本定律。 讲述基本的内容：热辐射的本质和特点，物体对热辐射的吸收、 反射和穿透及其定向辐射强度和定向辐射力的概念，理解热辐射 的四个基本定律。 8.1 基本概念 首先介绍热辐射的本质和特点。 热辐射是指由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量。物质由
第八章 热辐射的基本定律
光谱定向辐射强度指在某给定辐射方向上，单位时间、单位可见 辐射面积、在波长λ附近的单位波长间隔内、单位立体角内所发射 全部波长的能量。即 Iλ,θ =dIθ /dλ [W/(m2∙sr∙μm)] 定向辐射力是指在某给定辐射方向上，单位时间内、物体单位辐 射面积、在单位立体角内所发射全部波长的能量。
dω=dA2/r2 =rdθrsinθdφ/r2 =sinθdφdθ (sr)
可见面积指站在给定辐射方向上所 看到的发射辐射能物体的表面积。 假设微元辐射面dAe位于球心地面上，在任意方向p看到的辐射面 积不是dAe ，而是dAe cosθ。 则定向辐射强度 Iθ =d2Φ(θ,φ)/dωdAe cosθ [W/(m2∙sr)]
接近黑体)；白布和黑布对可见光的吸收比不同，但对红外线的吸
收比却基本相同；普通玻璃对λ< 2μm射线的吸收比很小，对太阳
光可以全部穿透过去，但对λ分镜反射和漫反
射两种(见右图)。可见
两种反射是不同的，工
程材料都是漫反射。
镜反射
漫反射
第八章 热辐射的基本定律
定向辐射强度是指在某给定辐射方向上，单位时间、单位可见辐 射面积、在单位立体角内所发射全部波长的能量。 立体角是立体角为一空间角，即被立体角所切割的球面面积除以 球半径的平方称为立体角，单位为sr(球面度)。ω=A2/r2 (sr) 结合右图的几何关系可得
第八章 热辐射的基本定律
光谱定向辐射力指在给定辐射方向上，单位时间内、物体单位辐
射面积、在单位立体角内发射的在波长λ附近的单位波长间隔内的
能量，Eλ,θ=d2E/dλdω [W/m2∙ sr∙ μm] → E=∫ω=2π ∫0∞ Eλ,θ dλdω 8.2 热辐射的基本定律
黑体是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科
λmaxT =2897.6 μm.K 可见，随着温度T增高，最大光谱辐射力Ebλ,max所对应的峰值波长 λmax逐渐向短波方向移动。 斯蒂芬-玻尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律(第二个定律)：
第八章 热辐射的基本定律
Eb
0
Eb
d
0
ec
2
c15
学假想的物体，现实生活中是不存在的；但却可以人工制造出近
似的人工黑体(见图)。黑体一般采用
下标b表示，如黑体的辐射力为Eb，
黑体的光谱辐射力为Ebλ等。
普朗克(Planck)定律(第一个定律)：
Eb
c15
ec2 (T ) 1
第八章 热辐射的基本定律
式中：c1 为第一辐射常数，3.742×10-16 Wm2；c2 为第二辐射常数 1.4388×10-2 WK。 右图是根据上式描 绘的黑体光谱辐射 力随波长和温度的 依变关系。λmax与T 的关系由维恩Wien 位移定律给出：
Eθ=d2Φ(θ,φ)/dωdAe → Eθ=Iθ cosθ [W/m2∙sr] 从上式可见，在法线方向θ=0o，有En=In。 辐射力是指在单位时间内、物体单位辐射面积向半球空间所发射 全部波长的总能量。
E=∫ω=2πEθ dω= ∫ω=2πIθ cosθ dω [W/m2] → Eθ =dE /dω [W/m2∙sr] 光谱辐射力指在单位时间内、物体单位辐射面积、在波长λ附近的 单位波长间隔内向半球空间所发射的能量，Eλ=dE/dλ [W/m2∙ μm]