北京化工大学：《化工原理》课程教学资源（教案讲义）传热 4.5 热辐射.doc_大学文库

4.5热辐射女低架体界民我作时于高+香余新倒隆税质杂物纹极的维品不又否断吸收来自外界物体的辐射能。物体与外界就产里的中传热方式成为热同点因此质作媒介，这是区别于热传导、对流的主要不 4.5.1基本概念辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能量的过程。电磁波的波长范围极广，从理论上说，固体可同时发射波长从0到的各种电磁波。但能被物体吸收而转变为热能的辐射能主要为可见光(0.38~0.76um)和红外线(0.76~100μm)两复射和可部分。从光的无辐表面上也会发射利透过但热射代的大多数固体和液体。如图所，假设外界投射到物体表面上的总能量品技。茶金资备a 部分被 N 0=2+0+0。或 -吸收率，用a表示：一反射率，用r表示：一穿透率，用d表示吸收率、反射幸和透过率的大小取决于物体的性质、温度、表面状况和辐射线的波长等，一般来说，表面粗糙的物体吸收率大。对于固体和液体不允许热辐射透过，即d=0: 而气体对热辐射几乎无反射能力，即r=0: 黑体：能全部吸收辐射能的物体。即a=1 黑体是一种理想化物体，实际物体只能或多或少地接近黑体，但没有绝对的黑体，如没有光泽的黑漆表面，引入黑体的概念是理论研究的需要。大速的夹标依电职能成多成地作，来赛得 =0,9 0,98 为r 透热体：能透过全部辐射能的物体。即d 船来说单顶子和由称型子均成的与休加山 N和H,等可视为透热体。而多原子气体和不对称的双原子气体则只能有选择地吸收和发射某些波段范围的辐射能。灰体：指能够以相同的吸收率吸收所有波长的辐射能的物体。工业上遇到的多数物体，能部分吸收所有波长的辐射能，但吸收率相差不多，可近似视为灰体。 45发能发全射能（波长从0到，称为该能斯蒂芬波尔天曼定律。黑体的辐射能力与其表面的绝对温度的四次方成正比

1 4.5 热辐射任何物体，只要其绝对温度大于零度，都会不停地以电磁波的形式向外辐射能量；同时，又不断吸收来自外界其他物体的辐射能。当物体向外界辐射的能量与其从外界吸收的辐射能不等时，该物体与外界就产生热量的传递，这种传热方式成为热辐射。此外，辐射能可以在真空中传播，不需要任何物质作媒介，这是区别于热传导、对流的主要不同点。因此，辐射传热的规律也不同于对流传热和导热。 4.5.1 基本概念辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能量的过程。电磁波的波长范围极广，从理论上说，固体可同时发射波长从 0 到的各种电磁波。但能被物体吸收而转变为热能的辐射能主要为可见光（0.38～0.76m）和红外线（0.76～100m）两部分。热辐射和可见光的光辐射一样，当来自外界的辐射能投射到物体表面上，也会发生吸收、发射和穿透现象，服从光的反射和折射定律，在均一介质中作直线传播，在真空和大多数气体中可以完全透过，但热射线不能透过工业上常见的大多数固体和液体。如图所示，假设外界投射到物体表面上的总能量 Q，其中一部分进入表面后被物体吸收 Qa，一部分被物体反射 Qr，其余部分穿透物体 Qd。按能量守恒定律： Q = Qa + Qr + Qd 或 Q Q Q Q Q Q a r d + + = 1 式中 Q Q a ——吸收率，用 a 表示； Q Q r ——反射率，用 r 表示； Q Q d ——穿透率，用 d 表示。 a+r +d =1 吸收率、反射率和透过率的大小取决于物体的性质、温度、表面状况和辐射线的波长等，一般来说，表面粗糙的物体吸收率大。对于固体和液体不允许热辐射透过，即 d = 0 ；而气体对热辐射几乎无反射能力，即 r = 0 ；黑体：能全部吸收辐射能的物体。即 a = 1 黑体是一种理想化物体，实际物体只能或多或少地接近黑体，但没有绝对的黑体，如没有光泽的黑漆表面，其吸收率为 a = 0.96 ~ 0.98 。引入黑体的概念是理论研究的需要。白体：能全部反射辐射能的物体。即 r =1 实际上白体也是不存在的，实际物体也只能或多或少地接近白体，如表面磨光的铜，其反射率为 r = 0.97。透热体：能透过全部辐射能的物体。即 d =1 一般来说，单原子和由对称双原子构成的气体，如 He、O2、N2 和 H2 等，可视为透热体。而多原子气体和不对称的双原子气体则只能有选择地吸收和发射某些波段范围的辐射能。灰体：指能够以相同的吸收率吸收所有波长的辐射能的物体。工业上遇到的多数物体，能部分吸收所有波长的辐射能，但吸收率相差不多，可近似视为灰体。 4.5.2 发射能力和辐射基本定律物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部辐射能（波长从 0 到），称为该物体在该温度下的发射能力，以 E 表示，单位 W/m2。 1. 黑体的发射能力斯蒂芬-波尔茨曼定律：黑体的辐射能力与其表面的绝对温度的四次方成正比。 4 Eb = 0T

式中E。一黑体的辐射能力，wm2: 00 -黑体辐射常数，其值为567×10-8w1(m2K): f.Cim 式中C。 -黑体辐射系数，其值为567W1(m2K4): 斯蒂芬波尔茨曼定律表明黑体的辐射能力与其表面的绝对温度的四次方成正比，也称为四次方定律。显然热辐射与对流和传导遵循完全不同的规律。斯蒂芬波尔茨曼定律表明辐射传热对温度异常敏感，低温时热辐射往往可以忽略，而高温时则成为主要的传热方式。 2.实际物体的发射能力由于黑体是一种理想化的物体，在工程上要确定实际物体的辐射能力。温度下，实际物体的辐射能力恒小于同温度下黑体的辐射能力。不同物体的辐射能力也有较大的差别。引入物体的黑度：物体的黑度ε表示为实际物体的辐射能力与黑体的辐射能力之比。由于实际物体的辐射能力小于同温度下黑体的辐射能力，黑度表示实际物体接近黑体的程度：1 物体的黑影响因素：物体的种类、表面品表面状况（如粗糙度面氧化程度等。物体的黑度是物体的一种性质，只与物体本身的情祝有关，与外界因素无关，其值可用实验见书表中某些工业材料的黑度ε值从表中可看出，不同的材料黑度ε值差异较大。氧化表面的材产花大发器数工程材料，在长06一20范围内的射的材能，其吸收率随波长变化不大，可把这些物体视为灰体。灰体的辐射能力：含时C9立蓝生选C小好品克希霍夫定律表明了物体的发射能力和吸收率之间的关系。如图所示，设有两块很大，且相距很近的平行平板两板间为透热体，一板为黑体，一板为透过率为0的灰体。现以单位表面积、单位时间为基准，讨论两物体间的热量平衡。设灰体的吸收率、辐射能力及表面的热力学温度为a1、E1、T:黑体的吸收率、辐射能力及表面的热力学温度为面、Eo、T0:且T>T0。灰体I所发射的能量E!投射到黑体Ⅱ上被全部吸收：黑体Ⅱ 所发射的能量Eo投射到灰体上只能被部分吸收，即aEo的能量被吸收，真余部 E(1- E,吸收的能量为之交以灰体为例，发射的能量为当两平壁间的热交换达到平衡时，温度相等T=T,且灰体1所发射的辐射能与其吸收的能量必然相等，即E1=aEo或互=E。把上面这一结论推广到任一平壁，得： E=EL=E0 一克希霍夫定律 aa

此定律说明任何物体的辐射能力与其吸收率的比值恒为常数，且等于同温度下黑体的辐射能力，故其数值与物体的温度有关。与前面的公式相比较，得：此式说明在同一温度下，物体的吸收率与其黑度在数值上相等。这样实际物体难以确定的吸收率可用其黑度的数值表示。前面提到，多数工程材料可视为灰体，对于灰体，在一定温度范围内，其黑度为一定值，所以灰热辐射的两个定律，下面讨论工业上常遇到的辐射传热。 4.5.3两固体间的相互辐射工业上常遇到两固体间的相互辐射传热，般可视为灰体间的热辐射两灰体间由于热辐射而进行热交换时，从一个物体发射出来的能量只能部分到达另一物体，而达到另一物体的这部分能量由于还有反射出一部分能量，从而不能被另一物体全部吸收。同理，从另一物体反射回来的能量也只有一部分回到原物体，而反射回的这部分能量又部分的反射和部分的吸收，这种过程被反复进行，直到继续被吸收和反射的能量变为微不足道。热总的复两固体间工业上常的固体之两平行物面之间的辐射， ·般又可分为极大的两平行面的辐射和面积有限的两相等平行面间的辐射两种情况。 (2)一物体被另一物体包围时的辐射，一般可分为很大物体2包住物体1和物体2恰好包住物体1两种情况。物体被另一物体包时的轻两固体之间的辐射传热可用下式表示。 e=G- 式中Q2 高温物体1向低温物体2传递的热量，W: Ci- 何因政角系数总能量被拦裁分率片 T 高温物体的温度，K: T2- 低温物体的温度，K 其中总辐射系数C12和角系数©12的数值与物体黑度、形状、大小、距离及相互位置有关，在某些具体情况下其数值见P151表48。下面具体分析各种情况角系数与总发射系数计算式序号辐射情视面积A角系数。总发射系数C12 极大的两平行面 AI或A 1+1-1 2

3 此定律说明任何物体的辐射能力与其吸收率的比值恒为常数，且等于同温度下黑体的辐射能力，故其数值与物体的温度有关。与前面的公式相比较，得： = a =  E E 0 此式说明在同一温度下，物体的吸收率与其黑度在数值上相等。这样实际物体难以确定的吸收率可用其黑度的数值表示。前面提到，多数工程材料可视为灰体，对于灰体，在一定温度范围内，其黑度为一定值，所以灰体的吸收率在此温度范围内也为一定值。以上介绍了关于热辐射的两个定律，下面讨论工业上常遇到的辐射传热。 4.5.3 两固体间的相互辐射工业上常遇到两固体间的相互辐射传热，一般可视为灰体间的热辐射。两灰体间由于热辐射而进行热交换时，从一个物体发射出来的能量只能部分到达另一物体，而达到另一物体的这部分能量由于还有反射出一部分能量，从而不能被另一物体全部吸收。同理，从另一物体反射回来的能量，也只有一部分回到原物体，而反射回的这部分能量又部分的反射和部分的吸收，这种过程被反复进行，直到继续被吸收和反射的能量变为微不足道。两固体间的辐射传热总的结果是热量从高温物体传向低温物体。它们之间的辐射传热计算非常复杂，与两固体的吸收率、反射率、形状及大小有关，还与两固体间的距离和相对位置有关。工业上常遇到以下几种情况的固体之间的相互辐射：（1）两平行物面之间的辐射，一般又可分为极大的两平行面的辐射和面积有限的两相等平行面间的辐射两种情况。（2）一物体被另一物体包围时的辐射，一般可分为很大物体 2 包住物体 1 和物体 2 恰好包住物体 1 两种情况。两固体之间的辐射传热可用下式表示：       − = − − − 1 4 2 4 1 2 1 2 1 2 ) 100 ) ( 100 ( T T Q C  A 式中Q1-2——高温物体 1 向低温物体 2 传递的热量，W； C1-2——总辐射系数，W/(m2 .K4 )； 1-2——几何因子或角系数(总能量被拦截分率)； A——辐射面积，m2 ； T1——高温物体的温度，K； T2——低温物体的温度，K。其中总辐射系数 C1-2 和角系数1-2 的数值与物体黑度、形状、大小、距离及相互位置有关，在某些具体情况下其数值见 P151 表 4-8。下面具体分析各种情况角系数与总发射系数计算式序号辐射情况面积 A 角系数 φ 总发射系数 C1-2 1 极大的两平行面 A1 或 A2 1