辐射换热
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第八章 辐射换热
ρ+α=1（原因：因分子间排列非常紧密，当热辐射 能投射到固体表面时，马上被相邻的分子所吸收）
所以对于固体和液体，其吸收和反射均在表面进 行（表面状况影响很大）。吸收能力强，则反射能力 弱。 例如：玻璃—对可见光基本上是透明体，对于其它波 长的热辐射，穿透能力很差（大棚蔬菜；温室效应－ 地球变暖）。
在温度较高时，必须考虑热辐射的影响（对气体）。
黑体辐射函数 定义：在0~λ的波长范围内黑体发出的辐射能在其 辐射力中所占份额。
黑体辐射函数
【例8-1】若灯泡钨丝的辐射可近似地视为黑体辐射， 试求可见光区段辐射能所占的份额。设灯丝的温度为 2900K。
解：可见光的波段范围为 0.38μm~0.76μm，
三、基尔霍夫定律 反射辐射与吸收辐射二者之间的联系: 1859年基尔霍夫揭示了与周围环境处于热 平衡状态下的实际物体辐射力E与吸收比α间的 关系。
如图，板1是黑体，板2是实际物体，
工业上一般物体(T<2000K)热辐射的大部分
能量的波长位于0.76~20μm。
太阳辐射：0.1~20μm
约定：除特殊说明，以后论及的热射线都
指红外线。
二、辐射能的吸收、反射和透射
当热辐射的能量投射到物体表面时，和可见光一 样，也发生吸收，反射和穿透现象。
根据能量守恒有：
在一般情况下，对于固体和液体而言，τ=0。
部分材料的法向光谱发射率
3. 辐射力
但实验结果发现，实际物体的辐射力并不严格 地与绝对温度呈四次方的关系，但工程上仍采用四 次方关系进行计算，而把温度项修正包括到黑度中 去，因而黑度还与温度有关。
部分材料的法向总发射率与温度的关系
4、定向发射率εφ
定向发射力：在数值上为单位辐射面积在单位时间内
传热学 第三章 辐射换热
q = E − AEb
A
(1-A)Eb
w/m2
当温度相等时， 当温度相等时，两表面处于 热平衡状态， 热平衡状态，q=0，于是得到 ， E=AEb
第三章 辐射换热 热辐射的基本概念
五、基尔霍夫定律
上式可以写成： 上式可以写成：
E = Eb A
推广到任何物体得到： E1 = E2 = E3 L = E = E 推广到任何物体得到： b A1 A2 A3 A 上式就是基尔霍夫定律的数学表达式。 上式就是基尔霍夫定律的数学表达式。它可以表述 在热平衡条件下， 为：在热平衡条件下，任何物体的辐射力与吸收率的 比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。 比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。
第三章 辐射换热
热辐射是热传递的三种基本方式之一， 热辐射是热传递的三种基本方式之一，它是 由电磁波来传递能量的现象， 由电磁波来传递能量的现象，与导热和对流有着 本质的区别。辐射换热是互不接触的物体之间通 本质的区别。 过相互辐射进行热交换的过程。 过相互辐射进行热交换的过程。
第三章 辐射换热
第三章 辐射换热 热辐射的基本概念
四、黑度
物体的黑度表示该物体辐射力接近绝对黑体辐射力 的程度。 的程度。
E ε= Eb
第三章 辐射换热 热辐射的基本概念
五、基尔霍夫定律
如图设有两个表面，一个是黑体，一个是灰体。 如图设有两个表面，一个是黑体，一个是灰体。 两个表面互相平行，距离很近， 两个表面互相平行，距离很近，于是从一块板上发射 的辐射能全部落到另一块板上。若板1为黑体表面 为黑体表面， 的辐射能全部落到另一块板上。若板 为黑体表面， 其辐射力、吸收率、和表面温度分别为E 其辐射力、吸收率、和表面温度分别为 b,Ab和 T1， 为灰体表面， 板2为灰体表面，其辐射力、吸收率、和表面温度分 为灰体表面 其辐射力、吸收率、 别为E,A和 T2。 别为 和 。
辐射换热
气体没有辐射能力：
a 1
0 a 1
a 1 黑体 1 白体 1 透热体
二
辐射的基本定律
辐射力 E ：物体单位表面积在单位时间内向半球空 间所有方向上发射出去的全部波长的辐射能的总量， 单位是W/m2。
光谱辐射力 E ：是物体从波长 到区间 发射出的能量，即物体单位表面积在单位时间内向 半球空间所有方向上发射出去的包含 的单位波长范 围内的辐射能，单位是W/m3。
假设：总辐射能 Q ，物体吸收 Qa ，物体反射 Q ， 透过物体 Q ；根据能量守恒定律有 Q Qa Q Q 以 Q 除全式，并令 a Qa Q
Q Q Q Q
穿透比
a 1 a 吸收比， 反射比，
固体和液体辐射不能穿透： 0
(四) 折热板
假设条件：折热板和辐射板均为灰体
q1,3 s (Eb1 Eb3 ) q3,2 s (Eb3 Eb2 ) q1,3 q3,2 q1,2
无折热板时：
q1, 2
q1,3 q3, 2
2 s ( Eb1 Eb 2 ) 2
q
' 1, 2
s (Eb1 Eb2 ) 2q1, 2
1 1 2,1 J 2 A2 Eb 2 A2 2
稳态换热时： 1,2 2,1
1,2
Eb1 Eb 2 1 1 1 2 1 1 A1 A1 X 1, 2 2 A2
网络法计算
A1 ( Eb1 Eb 2 ) 1,2 s A1 ( Eb1 Eb 2 ) 1 1 1 A1 1 2 1 X 1, 2 A2 2 T1 4 T2 4 5.67 s A1 100 100
a 1
0 a 1
a 1 黑体 1 白体 1 透热体
二
辐射的基本定律
辐射力 E ：物体单位表面积在单位时间内向半球空 间所有方向上发射出去的全部波长的辐射能的总量， 单位是W/m2。
光谱辐射力 E ：是物体从波长 到区间 发射出的能量，即物体单位表面积在单位时间内向 半球空间所有方向上发射出去的包含 的单位波长范 围内的辐射能，单位是W/m3。
假设：总辐射能 Q ，物体吸收 Qa ，物体反射 Q ， 透过物体 Q ；根据能量守恒定律有 Q Qa Q Q 以 Q 除全式，并令 a Qa Q
Q Q Q Q
穿透比
a 1 a 吸收比， 反射比，
固体和液体辐射不能穿透： 0
(四) 折热板
假设条件：折热板和辐射板均为灰体
q1,3 s (Eb1 Eb3 ) q3,2 s (Eb3 Eb2 ) q1,3 q3,2 q1,2
无折热板时：
q1, 2
q1,3 q3, 2
2 s ( Eb1 Eb 2 ) 2
q
' 1, 2
s (Eb1 Eb2 ) 2q1, 2
1 1 2,1 J 2 A2 Eb 2 A2 2
稳态换热时： 1,2 2,1
1,2
Eb1 Eb 2 1 1 1 2 1 1 A1 A1 X 1, 2 2 A2
网络法计算
A1 ( Eb1 Eb 2 ) 1,2 s A1 ( Eb1 Eb 2 ) 1 1 1 A1 1 2 1 X 1, 2 A2 2 T1 4 T2 4 5.67 s A1 100 100
辐射换热
X1,3 X 3,2
辐射总热阻： R 1.51 24 24 11.5 53
辐射换热量：
q1,2 b
T14 T24 53
5.67108 5234 3284
53
67.66
W/m2
q1,3 b
T14 T34 26.5
67.66
0 , 1
⑵ 对于不含颗粒的气体，整个气体容积：
0 , 1
2、黑体模型
吸收比为1的物体。
3、定向辐射强度
在某给定辐射方向上，单位时间内、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，用 I 表示。
4、光谱定向辐射强度
在波长 附近的单位波长间隔内的定
2、斯蒂芬-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann ）
Eb
0
Eb d
bT
4
W/m2
Eb
Cb
T 100
4
W/m2
b ——黑体辐射常数， b 5.67 108 W/ m2 K4
Cb ——黑体辐射系数， Cb 5.67
W/ m2 K4
E
Eb
Cb
T
4
100
W/m2
物体表面光谱定向发射率等于该表面对同温 度黑体辐射的光谱定向吸收比。
, T , T
T T
T T
T T
无条件成立 漫射表面 灰表面 漫灰表面
2、在两块黑度为0.4的平行板之间插入一块黑 度为0.04的遮热板，当平行板表面的温度分 别为250℃和55℃时，试计算辐射换热量和 遮热板温度？并画出网络图。（不计导热和 对流
辐射总热阻： R 1.51 24 24 11.5 53
辐射换热量：
q1,2 b
T14 T24 53
5.67108 5234 3284
53
67.66
W/m2
q1,3 b
T14 T34 26.5
67.66
0 , 1
⑵ 对于不含颗粒的气体，整个气体容积：
0 , 1
2、黑体模型
吸收比为1的物体。
3、定向辐射强度
在某给定辐射方向上，单位时间内、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，用 I 表示。
4、光谱定向辐射强度
在波长 附近的单位波长间隔内的定
2、斯蒂芬-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann ）
Eb
0
Eb d
bT
4
W/m2
Eb
Cb
T 100
4
W/m2
b ——黑体辐射常数， b 5.67 108 W/ m2 K4
Cb ——黑体辐射系数， Cb 5.67
W/ m2 K4
E
Eb
Cb
T
4
100
W/m2
物体表面光谱定向发射率等于该表面对同温 度黑体辐射的光谱定向吸收比。
, T , T
T T
T T
T T
无条件成立 漫射表面 灰表面 漫灰表面
2、在两块黑度为0.4的平行板之间插入一块黑 度为0.04的遮热板，当平行板表面的温度分 别为250℃和55℃时，试计算辐射换热量和 遮热板温度？并画出网络图。（不计导热和 对流
辐射换热四大定律
辐射换热四大定律
辐射换热是指物体之间通过辐射方式传递热量的过程。
辐射换热主要遵循以下四个定律：
1. 斯特藩-玻尔兹曼定律：该定律表明，物体的辐射能力与其温度的四次方成正比。
换句话说，温度越高的物体辐射能力越强。
2. 普朗克定律：该定律描述了黑体辐射的频率分布规律。
黑体辐射是指一个完美吸收所有辐射的物体。
普朗克定律显示了黑体辐射强度与频率和温度的关系。
3. 吸收定律：该定律描述了物体对辐射的吸收能力。
每个物体都有不同的吸收能力，通常用吸收系数来描述。
吸收系数越高，物体对辐射的吸收能力越强。
4. 反射定律：该定律描述了物体对辐射的反射能力。
每个物体对辐射的反射能力也不同，通常用反射系数来描述。
反射系数越高，物体对辐射的反射能力越强。
这些定律在研究辐射换热时非常重要，因为它们提供了我们理解和计算辐射换热的基础。
辐射换热
（三）多个灰体表面组成的封闭系统的辐射换热
对节点1：
Eb1 J1
1ε 1 ε 1 A1
J 2 J1
1 A1 X1, 2
J 3 J1
1 A1 X1, 3
0
对节点2：
Eb 2 J 2
1ε 2 ε 2 A2
J1 J 2
1 A1 X 1, 2
J3 J 2
1 A2 X 2 , 3
解：对于如图所示的表面1和表面2，补充表面A和表面B。1.5m a 对于表面B和表面（1+A）： 1.5, b 1.0, c 2.0 ,从而有
X B,(1 A) 0.27
2
1m 1m 1m
对于表面B和表面A：a 1.5, b 1.0, c 1.0
X B, A 0.23
热工基础与应用
第四章
第四节
辐射换热
由于热原因而产生的电磁波辐射。
一、辐射换热的基本概念
热辐射：
辐射换热：
物体间相互辐射和吸收的总效果。
西安交通大学热流中心
热工基础与应用
第四章
Q Q Q Q
吸收比α、反射比ρ和穿透比τ: 1 固体、液体： 1 气 体： ρ 0, α τ 1
B A
1
m
1m
a 对于表面(B+2)和表面(A+1)： 1.5, b 1.0, c 2.0
X ( B20,( A1) 0.23
例8 图
对于表面(B+2)和表面A： a 1.5, b 1.0, c 2.0
X ( B2), A 0.14
西安交通大学热流中心
辐射换热
1 cosθ1 cosθ 2 ∫F1 ∫F2 πr 2 dF1dF2 F1
dQ1→2 =
cosθ1 cosθ2 Q2→1 1 ϕ21 = = ∫ ∫ dFdF 1 2 2 F F2 Q2 F2 1 πr
12.辐射换热
12.4 角系数
角系数的定义
黑 体
Q1→2 ϕ12 = Q1
ϕ12 =
Q1→2 1 cosθ1 cosθ 2 = ∫ ∫ dF1dF2 2 F1 F2 Q1 F1 πr
∫ A=
∞
0
Aλ Gλ dλ
∞
∫
0
Gλ dλ
12.辐射换热
实际物体表面的辐射－－ －－灰体 12.3 实际物体表面的辐射－－灰体
基尔霍夫定律
A=ε
灰体
单色吸收率与波长无关的物体
A = Aλ = const
E ∫ ε λ E bλ dλ ε= = Eb σ 0T 4 ε = ε λ = A = Aλ = const
R = 1, A = D = 0
D = 1, A = R = 0 外界投射到物体上的辐射能全部透过物体－－透明体 外界投射到物体上的辐射能全部透过物体－－ －－透明体
12.辐射换热
12.1 热辐射的基本概念
辐射能的吸收、 辐射能的吸收、发射和投射
A+ R + D =1
固体、液体： 固体、液体：对辐射能的吸收只在物体表 面薄层内进行，可认为其透射率： 面薄层内进行，可认为其透射率：D=0
传输理论
热量传输 辐射换热
12.辐射换热
12.1 热辐射的基本概念
辐射换热是指物体之间通过相互辐射和吸收进行的热量传输 过程。 过程。
热辐射
物体由于自身温度引起的发射辐射能的现象,依靠热射线 物体由于自身温度引起的发射辐射能的现象, （电磁波）传递热量 电磁波）
辐射换热原理
辐射换热原理
辐射换热是指热能通过电磁波的辐射传递或交换。
辐射换热不需要介质的存在，它可以在真空中传播。
辐射换热的原理是热辐射，即热能以电磁波的形式从高温物体传递到低温物体。
热辐射的波长范围从长波红外线到短波紫外线，其中短波辐射的能量较高，长波辐射的能量较低。
热辐射是由物体内部来自分子振动和电子跃迁的能量转化为电磁波产生的。
物体的温度越高，分子振动和电子跃迁所产生的电磁波的能量越高，波长越短。
这意味着高温物体会发出较多能量较高的短波辐射，而低温物体则会发出能量较低的长波辐射。
辐射换热的传热速率取决于物体的温度差、表面性质和形状等因素。
通过控制物体的表面特性，如涂层、颜色和纹理，可以调节辐射换热的效率。
此外，辐射换热还受到物体之间的距离的影响，较近的物体之间的辐射换热效率更高。
辐射换热在日常生活中广泛应用，例如太阳能、红外线加热、热辐射扇等。
它也是火焰、火炬和电炉等热能传递的重要机制。
第十一章 辐射换热
第二编热量传输第十一章辐射换热辐射换热在金属热态成形产业中是常见的现象，如金属件在炉内的加热，熔化炉中的炉料与发热体之间的换热等。
第一节热辐射的基本概念一、热辐射与辐射换热物体中分子或原子受到激发而以电磁波的方式释放能量的现象叫辐射，电磁波所携带的能量叫辐射能。
由于电磁波可以在真空中传播，因而辐射能也可以在真空中传播，而导热与对流换热则只在存有物质的空间中才能发生。
激发物体辐射能量的原因或方法不同，产生的电磁波的波长和频率也不相同。
电磁波按波长的长短来划分有多种，如图11-1所示。
热辐射是由于热的原因而发生的辐射。
主要集中在红外线和可见光的波长范围内。
热辐射是物体的一种属性，只要物体的温度高于绝对温度0K，就会进行辐射。
因此热量不仅从高温物体辐射到低温物体，同样也从低温物体辐射到高温物体，但是两者辐射的能量不同。
物体在发射辐射能的同时，也在吸收辐射能。
辐射换热是指物体之间的相互辐射和吸收过程的总效果。
例如工业炉炉壁与周围物体之间由于炉壁温度较高，炉壁向周围辐射的能量多于吸收的能量，这样热量就从工业炉传给周围物体。
辐射换热不仅取决于两个物体之间的温度差，而且还取决于它们的温度绝对量。
对于导热来说，其热流密度与温度梯度成正比，而对辐射换热来说，热流密度（或辐射力）与辐射物体热力学温度的四次方成正比，即E∝T4。
二、吸收率、反射率、穿透率当热辐射的能量投射到物体表面上时，同可见光一样有吸收、反射和穿透的现象。
设辐射到物体表面的总能量为Q，其中一部分Qa在进入物体表面后被物体吸收，另一部分能量Qρ被物体反射，其余部分Qτ穿透物体，如教材150页图11-2所示。
根据能量守恒定律得或。
（11-1）令，，则式（11-1）可写成。
（11-2）式中α、ρ、τ——物体的辐射吸收率、反射率和穿透率。
固体及液体在表面下很短的一段距离内就能把辐射能吸收完毕，并把它转换成热能，使物体的温度升高。
对于金属导体，这段距离约为1μm；对于大多数非导电材料，这一距离也小于1mm。
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
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辐射换热
1、角系数的大小取决于物体的三个因素，即：__几何形状、_表面面积__和相对位置。
2、确定角系数的方法主要有____代数法__________和______积分法
________。
3、用代数确定角系数，是依靠物体间辐射换热的____完整性__、___互换性_和__分解性_三个原理。
4、组成辐射换热网络的热阻有表面热阻和空间热阻. 它们的表达式各为______和_____。
5、两无限大平壁平行放置时，角系数为X1，2=________1_____________；
空腔2与内包小凸物1之间的角系数为X1，2=______
_________________。
6、对灰表面，其表面有效辐射等于___本身辐射与反射辐射____之和。
7、在两块无限大的平行平板之间加入一块遮热板，当它们发射率相同时，平行平板之间的辐射换热量将减少为原来的_____1/2_________。
8、气体的辐射和吸收对波长具有_____选择性_________。
9、气体吸收定律说明单色辐射在吸收性介质中传播时是____指数减弱
__________规律。
10、气体辐射和固体辐射相比，通常固体表面的辐射及吸收光谱是连续的，而气体的辐射和吸收是_间断的______的，即气体只能辐射和吸收某一定___波长___范围内的能量。
11、气体辐射和固体辐射相比，固体辐射和吸收是在很薄的__表面
________层进行，而气体的辐射和吸收则是在_____整个气体容积___中进行。
12、单色辐射减弱系数Kλ是与气体的性质、_____压力_________、
________温度______及 ___射线波长___________有关。
13、确定气体发射率时，气体容积的射线平均行程S=____ c·4V/A
_____________。
二、名词解释
1、空间热阻：把黑体之间的辐射换热与电学中欧姆定律类比时，( E b1-E b2)
比做电位差，辐射换热量Φ1，2比做电流，则比做电阻，称为空间热阻，它只与表面间的几何关系有关。
2、角系数：表面A1向空间发射的能量中投落到A2上的能量百分数，称
作表面A1对表面A2的角系数。
3、表面热阻：把灰表面的有效辐射J比做电位，比做E b与J之间
的表面辐射热阻或简称表面热阻。
4、有效辐射：表面的本身辐射和反射辐射之和，称有效辐射J，即J=εE b+ρG W/m2。
5、遮热板：在辐射换热的两平行平面之间加入若干个平行的隔板，可以
起到减少辐射换热量的作用，这样的中间隔板称为遮热板。
6、气体辐射射线平均行程：气体辐射是在整个容积中进行的，不同形状
的气体容积对某表面的辐射层的平均厚度叫做平均射线行程。
可用下式计算： S=C·4V/A (m)，式中c为修正系数，一般可取0.9 。
三、问答题
1、试述确定角系数的两种主要方法。
答：积分法─根据角系数的定义和辐射表面间的几何关系进行积分。
典型的几何关系作成图线查出数据；代数法─根据角系数的性质：互换性、完整性、分解性原理用代数加减法计算，典型的查图线帮助求值，以扩大典型的角系数曲线的应用。
2、举例简述辐射换热网络法。
答：求解辐射换热问题时与电学中的欧姆定律相比拟，得出一个网络法。
由任意放置的两黑体表面间的辐射换热计算公式：式中
( Eb1-Eb2 )相当于电位差；相当于电阻，叫空间热阻；又由灰
表面间的辐射换热公式：，式中相当于电阻，叫表面热阻。
具体步骤为：首先所有表面必须形成封闭系统，再绘制热阻网络图，方法为：
⑴每一个物体表面为1个节点（该物体表面应具有相同的温度和表面辐射吸收特性），其热势为有效辐射Ji；⑵每两个表面间连接一个相应的空间热阻；
⑶每个表面与接地间连接一个表面热阻和“电池”（黑体辐射力E b）；
⑷若某角系数为0，即空间热阻→∞，则相应两个表面间可以断开，不连接空间热阻；
；⑸若某表面绝热，则其为浮动热势，不与接地相连。
3、试写出任意放置的两“漫──灰表面”间的辐射换热量计算公式，并绘出辐射网络图。
答：辐射换热量计算公式为： W；
辐射网络图为：
4、试写出任意两黑体表面间的辐射换热量计算公式及绘出其辐射网络图。
答：辐射换热量计算公式为：W
其辐射网络图为：。
5、用代数法确定角系数都有哪几个原则？
答：(1)凸表面或平表面；(2)组成封闭体系；(3)根据辐射换热的互换性、完整性、分解性。