传热学-8 辐射传热

8-3 实际物体和灰体的辐射
三 基尔霍夫定律 两板相距很近，从一块板发出的辐射
21
E
E Eb
T
Eb Tb
全部落到另一块板上。
Eb
板1为黑体表面：Eb、Tb
板2为无透射的任意表面 ：ε、α、T
1 Eb
当系统处于热平衡时，有
T Tb
Eb E
E
Eb
平行平板辐射换热
基尔霍夫定律的表达式之一。该式说明，在热力
可见光（λ＝0.38～0.76μm）; 红外线（λ＝0.76～1000μm ; 微波（λ＝1mm～1m ）; 计及太阳辐射（5800K）的热射线: λ＝0.1～100μm 工业领域温度范围（<2000K）的热射线: λ＝0.76～20μm
电磁辐射波谱
8-1 热辐射的基本概念
二 吸收比、反射比和透射比 投入辐射：单位时间内投射到单位面积物体表面 上的全波长范围内的辐射能。G w/m2
光谱辐射力随波长的变化
光谱发射力随波长的变化
8-3 实际物体和灰体的辐射
与黑体类似，灰体也是一种假想的理想物体。对于 大部分工程热辐射问题来讲，温度范围300～2000K 之间，光谱能量主要在红外区域，灰体假设带来的 误差是可以接受的。即对于大部分红外波段的工程 热辐射问题，可以将物体视为灰体。
引入漫射表面（体）的假设可忽略实际物体发射 辐射能的空间分布特性，引入灰体的假设可忽略 实际物体选择性吸收投入辐射的特性。
8-4 角系数
一 角系数
角系数 ：表面1发射的辐射能落到
表面2上去的百分数，用符号X1,2 表示 。
X1,2
表面1对表面2的投入辐射 表面1的有效辐射
角系数的应用是有一定限制条件的，即漫射面、 等温、物性均匀。
角系数纯系几何因子，与物体性质和温度条件无关。
8-4 角系数
二 确定角系数的方法 （1）从角系数的定义出发直接计算； （2）积分法； （3）查曲线图； （4）代数分析法； （5）投影法或几何图形法。
地球：CO2、CFC制冷剂（R12等）对≥3μm的红外波 段吸收率高，而对于太阳辐射穿透率高 — 温室效应。
8-4 角系数
一 角系数 表面间的辐射换热与表面几何形状、大小和各表
面的相对位置等几个因素均有关系，这种因素常用角 系数来考虑。角系数的概念是随着固体表面辐射换热 计算的出现与发展，于20世纪20年代提出的，它有很 多名称，如形状因子、可视因子、交换系数等等， 但叫得最多的是角系数。值得注意的是，角系数只对 漫射面(既漫辐射又漫反射)、表面的发射辐射和投射 辐射均匀的情况下适用。
第八章 辐射传热
1 、重点内容： ① 热辐射现象的基本概念； ② 黑体热辐射的基本定律； ③ 固体和液体的辐射特性； ④ 实际物体对辐射能的吸收与辐射的关系； ⑤ 角系数的定义及计算，辐射传热计算。 2 、掌握内容：基本概念及定律。 3 、了解内容：气体辐射。
8-1 热辐射的基本概念
一 热辐射的本质 １、基本概念 辐射：发射辐射能是各类物质的固有特性。当原子 内部的电子受温和振动时，产生交替变化的电场和 磁场，发出电磁波向空间传播。 热辐射：由于自身温度或热运动的原因而激发产生 的电磁波传播。
黑体、灰体、白体等都是理想物体，而实际物体的辐射 特性并不完全与这些理想物体相同，比如： (1) 实际物体的辐射力与黑体和灰体的辐射力有差别； (2) 实际物体的辐射力并不完全与热力学温度的四次方 成正比； (3) 实际物体的定向辐射强度也不严格遵守Lambert定律 等等。
所有这些差别全部归于发射率（黑度），因此， 它们一般需要实验来确定。
３、Lambert定律 ：描述黑体在某一温度下所辐射 的全部波长的能量沿半球空间方向上的分布规律， 即只对波长积分，但研究的是某一方向。
8-3 实际物体和灰体的辐射
一 实际物体
1 发射特性 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；
光谱发射率：实际物体的光 谱辐射力与同温度下黑体的 光谱辐射力之比。
E Eb
0 Eb d
Eb
光谱辐射力随波长的变化
光谱发射力随波长的变化
定向发射率（定向黑度）
( ) L( ) L( ) Lb ( ) Lb
几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率
（θ） （t=0~93.3℃）
影响物体发射率的因素 物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和 表面状况。发射率只与发射辐射的物体本身有 关，而不涉及外界条件。
（余弦定律）
Lp＝L＝const
dΩ立体角内的辐射力（定向辐射力）：
dE d p L cos
dAd
8-1 热辐射的基本概念
五 漫射表面
镜反射：反射角等于入射角。光滑的金属表面, 玻璃，塑料等。
漫反射：被反射的辐射能均匀分布在各个方向上。 粗糙的金属表面近于漫射面。
8-2 黑体辐射的基本定律
n
X1,1 X1,2 X1,3 X1,n X1,i 1
i 1
若表面1为非凹表面时，X1,1 = 0。
8-4 角系数
（3）可加性（分解性）
表面2可分为2a和2b两个面，当 然也可以分为n个面，则角系数 的可加性为
n
X1,2
X 1,2i
i 1
角系数的可加性
注意：上图中的表面2对表面1的角系数不存在上述 的可加性。
学平衡状态下，物体的吸收率等于它的发射率。
8-3 实际物体和灰体的辐射
上式具有如下限制： （1）整个系统处于热平衡状态； （2）如物体的吸收率和发射率与温度有关，则
二者只有处于同一温度下的值才能相等； （3）投射辐射源必须是同温度下的黑体。 说明： （1）具有漫反射特性的灰体严格满足基尔霍夫定律
漫灰体
8-3 实际物体和灰体的辐射
吸收的某一特定波长的 能量
(,T ) 投入的某一特定波长的 能量
吸收的能量
投入辐射
实际物体光谱吸收比与波长的关系
实际物体的选择性吸收使得计算十分复杂 （简化） 灰体
8-3 实际物体和灰体的辐射
二 灰体
const
() const
实际物体发射率数值大小 取决于材料的种类、温度和表 面状况，通常由实验测定。
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 Eb
0 Ed bT 4
E
Eb
bT 4
cb
T 100
4
发射率反映了物体发射辐射能的能力的大小。
8-3 实际物体和灰体的辐射
上面公式只是针对方向和 光谱平均的情况，但实际 上，真实表面的发射能力 是随方向和光谱变化的。
（2）大多数工业领域温度范围内（<2000K）的物 体均可视为漫灰体。
8-3 实际物体和灰体的辐射
（3）研究物体表面对太阳辐射的吸收时不适用。
大多数物体对于太阳辐射可见光的吸收具有较强的选择 性，例白漆、黑漆常温下发射率＝0.9，但是吸收比差异 大。 1. 太阳能集热器； 2. 温室效应：
暖房：玻璃对太阳辐射具有强烈的选择性吸收——大部 分太阳辐射（0.2～2μm）穿透玻璃，而内部的物体热辐射 （≥3μm）穿透率低。
绝对透热体： 1
8-1 热辐射的基本概念
三 辐射力和有效辐射 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)
实际物体的辐射力： E Eb
投入辐射G ：单位时间内投射到单位面积上的总辐射 能。
有效辐射J ：单位时间内离开单位面积的总辐射能为 该表面的有效辐射，包括了自身的发射
一 黑体和黑体模型 黑体是一种理想物体。
1; 1
人工黑体模型
光谱辐射力Eλ：单位时间内，单位波长范围内(包含 某一给定波长)，物体的单位表面积
向半球空间发射的能量。 (W/m3)
E
dE
d
二 普朗克（Planck）定律 Ebλ
Eb
c15
ec2 (T ) 1
式中，λ— 波长，m ； T — 黑体温度，K ； c1 =3.742×10-16 Wm2； c2 =1.4388×10-2 WK；
吸收辐射： G W/m2 反射辐射：G W/m2 透射辐射：G W/m2
8-1 热辐射的基本概念
吸收比 G
G反射比 GG源自G G G G 1透射比 G
G
一般：固、液对热辐射是不透射的，即
0 , 1
气体几乎无反射，即 0, 1 黑体（绝对黑体）： 1 白体（绝对白体）： 1
特点：（1）温度愈高，同一波长下的光谱辐射力愈大；
/ μm
（2）在一定的温度下，黑体的光谱辐射力在某一波长下 具有最大值；
（3）随着温度的升高，Eb取得最大值的波长 max 愈来愈 小，即在 坐标中的位置向短波方向移动。
8-2 黑体辐射的基本定律
维恩（Wien）位移定律
maxT 2.898103 2.9 103 m K
太阳表面温度约为5800K，由上式可求得max=0.5
m，位于可见光范围内，可见光占太阳辐射能的份额 约为44.6% 。
对于2000K温度下黑体, 可求得max=1.45 m，位
于红外线范围内。
8-2 黑体辐射的基本定律
三 斯忒藩—玻耳兹曼定律
Eb
bT
4
cb
T 100
4
（四次方定律）
式中b = 5.67×10-8 W/(m2K4)，称为斯忒藩-玻
8-1 热辐射的基本概念
2、 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 ）不需要介质，可以在真空中传播； c ）伴随能量形式的转变（热力学能与辐射能）； 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。