第六节&& 辐射传热
物体以电磁波形式传递能量的过程称为辐射，被传递的能量称为辐射能。物体可由不同的原因产生电磁波，其中因热的原因引起的电磁波辐射，即是热辐射。在热辐射过程中，物体的热能转变为辐射能，只要物体的温度不变，则发射的辐射能也不变。物体在向外辐射能量的同时，也可能不断地吸收周围其它物体发射来的辐射能。所谓辐射传热就是不同物体间相互辐射和吸收能量的综合过程。显然，辐射传热的净结果是高温物体向低温物体传递了能量。
热辐射和光辐射的本质完全相同，不同的仅仅是波长的范围。理论上热辐射的电磁波&&&
波长从零到无穷大，但是具有实际意义的波长范围为0.4～20μm，而其中可见光线的波长&&&
范围约为0.4～0.8μm，红外光线的波长范围为0.8―20／μm。可见光线和红外光线统称热&&&
射线。不过红外光线的热射线对热辐射起决定作用，只有在很高的温度下，才能觉察到可见&&&
光线的热效应。
热射线和可见光线一样，都服从反射和折射定律，能在均一介质中作直线传播。在真空&&&
和大多数的气体(惰性气体和对称的双原子气体)中，热射线可完全透过，但对大多数的固体&&&
和液体，热射线则不能透过。因此只有能够互相照见的物体间才能进行辐射传热。
如图4-34所示，假设投射在某一物体上的总辐射能量为Q，则其中有一部分能量QA&&
被吸收，一部分能量QR被反射，余下的能量QD透过物体。根据能量守恒定律，可得&&&&&&&
即&&&&&&&&&
即&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (4-98)
或&&& A+R+D=1&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
式中& A―物体的吸收率，无因次；
―物体的反射率，无因次；
D―物体的透过率，无因次。
的所有波长范围的辐射能。凡能以相&
同的吸收率且部分地吸收由零到所有波长范围的辐射能的物体，定义为灰体。灰体有以&
(1)灰体的吸收率A不随辐射线的波长而变。
(2)灰体是不透热体，即A十R=1。
灰体也是理想物体，但是大多数的工程材料都可视为灰体，从而可使辐射传热的计算大&
物体的辐射能力和有关的定律
物体的辐射能力是指物体在一定的温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部波长&
的总能量，用E表示，其单位为W／m2。因此，辐射能力表征物体发射辐射能的本领。在相同的条件下，物体发射特定波长的能力，称为单色辐射能力，用E表示，若在至()的波长范围内的辐射能力为，则
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&(4-99)
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&(4-100)
―波长，m或／；
―单色辐射能力，W／m3。
若用下标b表示黑体，则黑体的辐射能力和单色辐射能力分别用Eb和来表示。
一、普郎克(Plank)定律
普郎克定律揭示了黑体的辐射能力按照波长的分配规律，即表示黑体的单色辐射能力&
随波长和温度变化的函数关系。根据量子理论可以推导出如下的数学式，即
&&&&&&&&&&&&&&&&&& (4-101)
式中& T―黑体的热力学温度，K；
e―自然对数的底数；
c1―常数，其值为3.743*10-16W?m2；
c2―常数，其值为1.4387*10-2m?K。
式4―101称为普郎克定律。若在不同的温度下，黑体的单色辐射能力与波长进行标绘，可得到如图4-35所示的黑体辐射能力按波长的分布规律曲线。
由图可见，每个温度有一条能量分布曲线；在指定的温度下，黑体辐射各种波长的能量&
是不同的。但在某一波长时可达到的最大值。在不太高的温度下，辐射能主要集中在波长为0.8～10的范围内，如图4-35(b)中所示。
二、斯蒂芬―波尔茨曼(Stefan-Boltzmann)定律&&&
斯蒂芬―波尔茨曼定律揭示黑体的辐射能力与其表面温度的关系。将式4―101代入式&
4―100中，可得
积分上式并整理得
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
式中-黑体得辐射常数,其值为5.67*10-8W/(m2.K4)
&&&&&&& Co-黑体得辐射系数,其值为5.67W/(m2.K4)
式中& C―灰体的辐射系数，W／(m2?K4)。
不同的物体辐射系数C值不相同，其值与物体的性质、表面状况和温度等有关。C值&&&
恒小于C。，在0～5.67范围内变化。
前已述及，在辐射传热中黑体是用来作为比较标准的，通常将灰体的辐射能力与同温度&&&
下黑体辐射能力之比定义为物体的黑度(又称发射率)，用表示，即
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (4―104)
&&&&&&&&&&&&&&&&&&(4―104a)
只要知道物体的黑度，便可由上式求得该物体的辐射能力。
黑度值取决于物体的性质、表面状况(如表面粗糙度和氧化程度)，一般由实验测定，&&&
其值在0～1范围内变化。常用工业材料的黑度列于表4―12中。
某些工业材料的黑度
钢板(氧化的)
钢板(磨光的)
铝(氧化的)
铝(磨光的)
铜(氧化的)
铜(磨光的)
铸铁(氧化的)
铸铁(磨光的)
0.11～0.19
0.039―0.057
0.57～0.87
0.64～0.78
三、克希霍夫(Kirchhoff)定律
克希霍夫定律揭示了物体的辐射能力正与吸收率A之间的关系。
设有二块相距很近的平行平板，一块板上的辐射能可以全部投射到另一板上，如图4-36所示。
若板1为实际物体(灰体)，其辐射能力、吸收率和表面温度分别为E1、A1和T1；板2为黑体，其辐射能力、吸收率和表面温度分别为E2(即为Eb)、A2(即为1)和T2。并设Tl&T2，两板中间介质为透热体，系统与外界绝热。下面讨论两板间的热平衡情况：以单位时间、单位平板面积为基准，由于板2为黑体，板1发射出的E1能被板2全部吸收。由板2发射的Eb被板1吸收了AlEb，余下的(1―A1)Eb被反射至板2，并被其全部吸收。故对板1来说，辐射传热的结果为
因板1可以用任何板来代替，故上式可写为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (4-105)
式4―105为克希霍夫定律的数学表达式。该式表明任何物体的辐射能力和吸收率的比&
值恒等于同温度下黑体的辐射能力，即仅和物体的绝对温度有关。
将式4-102代人式4―105中，可得
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (4-106)
比较式4―104a和式4―10b可以看出，在同一温度下，物体的吸收率和黑度在数值上是相同的。但是A和两者的物理意义则完全不同。前者为吸收率，表示由其它物体发射来的辐射能可被该物体吸收的分数；后者为发射率，表示物体的辐射能力占黑体辐射能力的分数。由于物体吸收率的测定比较困难，因此工程计算中大都用物体的黑度来代替吸收率。
两固体间的辐射传热
化学工业中常遇到两固体间的辐射传热。由于大多数固体可视为灰体，在两灰体间的&
相互辐射中，相互进行着辐射能的多次被吸收和多次被反射的过程，因而比黑体与灰体间的辐射过程要复杂得多。在计算灰体间辐射传热时，必须考虑它们的吸收率(或反射率)、物体的形状和大小及其相互间的位置与距离的影响。
现以两个面积很大(相对于两者距离而言)且相互平行的灰体平板间相互辐射为例，推导灰体间辐射传热的计算式。
参见图4-37，若两板间介质为透热体，且因两板很大，故从一板发射出的辐射能可以认为全部投射在另一板上。由于两平板均是灰体，其D=0，故A+R=1。
式中 q1―2―由板1向板2传递的净辐射热通量，W／m2。
上式等号右边中为无穷级数，它等于，故
&&&&&&&&&&&&&&& (4―107)
再以，及A1=1，A2=2等代人式4―107中，并整理得
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (4―108)
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&(4-108a)
式中& C1-2―总辐射系数。
对两很大的平行平板间辐射，则
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&(4―109
若平行的平板面积均为S时，则辐射传热速率为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (4―110)
当两壁面的大小与其距离相比不够大时，一个壁面所发射出的辐射能，可宫纵有一部分能达到另一壁面上。为此，需引入几何因素(角系数)，以考虑上述的影响。于是式4―110可以写成更普遍适用的形式，即
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (4―111)
式中& Q1-2―净的辐射传热速率，W；
C1-2―总辐射系数，其计算式见表4―13；
S―辐射面积，m2；
T1，T2―高温和低温表面的热力学温度，K；
―几何因素(角系数)，其值查表4―13。
值与C1―2的计算式
总辐射系数Cl―2
极大的两平行面
面积有限的两相等的平行面
很大的物体2包住物体1
物体2恰好包住物体1
在3,4两种情况之间
此种情况的值由图4―39查得。
应予指出，式4―110和式4―111可用于任何形状的表面之间的相互辐射，但对一物体被另一物体包围下的辐射，则要求被包围物体的表面1应为平表面或凸表面，如4-38中(a)、(b)、(c)所示。
角系数表示从辐射面积S所发射出的能量为另一物体表面所获截的分数。它的数值不仅与两物体的几何排列有关，而且还和式中的S是用板1的面积S1还是板2的面积S2作为辐射面积有关，因此在计算中，角系数必须和选定的辐射面积S相对应。值已利用模型通过实验方法测出，可查有关手册。几种简单情况下的值见表4―13和图4-39。
辐射传热速率方程来计算。式中Sw表示壁外表面积；tw(或Tw)表示壁面温度，t(或T)表示环境温度。
现将辐射传热速率方程改变为与对流传热速率方程相同的形式，即&
&因设备向大气辐射传热时角系数=1，故上式中项消失了。称为辐射传热系数。&&
总的热量损失为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&(4―112)
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&(4―112a)
，称为对流―辐射联合传热系数，其单位为W／(m2?℃)。
对于有保温层的设备，设备外壁对周围环境的联合传热系数，可用下列各式进行估&&&
(1)空气自然对流时
在乎壁保温层外
&&&&&&&&&&&&&&&(4-113)
在管或圆筒壁保温层外&
&&&&&&&(4―114)
上两式适用于tw&150℃的场合。
(2)空气沿粗糙壁面强制对流时
空气的流速u≤5m／s:6.2+4.2u&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (4―115)
空气的流速u&5m／s：7.8u0.78&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (4-116)&&&
由于保温材料种类很多，应视具体情况加以选用。保温层厚度除特殊要求应进行计算&&&
外，一般可依据经验加以选用(可查有关手册)。一般说来，增加保温层厚度将减少热损失，&&&
故可节省操作费用，但投资费用随厚度增加而增大，因此应通过经济衡算确定最佳厚度。&&&
第七节换热器&
换热器是化工厂中重要的化工设备之一，换热器的类型很多，特点不一，可根据生产工&
艺要求进行选择。
前已述及，依据传热原理和实现热交换的方法，换热器可分为间壁式、混合式及蓄热式
三类，其中以间壁式换热器应用最普遍，以下讨论仅限于此类换热器。辐射功率_百度百科
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辐射功率，单位时间内，物体表面单位面积上所发射的总辐射能，也称为。一种以辐射形式发射、转移，或接收的功率。外文名black-bodyradiation单&&&&位W
它是描述物体辐射本领的物理量.
一个物体辐射本领越大,对外来辐射的吸收能力也越强.
M=5.67*10^(-8)Wm^(-2)K^(-4)T^4
其中,5.67*10^(-8)Wm^(-2)K^(-4)为斯特藩常量
太阳的辐射功率P大约为4*10^26W.辐射功率是辐射物理量中最基本的一个物理量。
开放分类：科学、物理、自然、、量子力学
[中文]:黑体辐射
任何物体都具有不断辐射、吸收、发射的本领。辐射出去的在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为。为了研究不依赖于物质具体物性的规律，物理学家们定义了一种理想物体——(blackbody)，以此作为热辐射研究的标准物体。
所谓是指入射的全部被吸收，既没有反射，也没有透射(当然黑体仍然要向外辐射)。黑洞也许就是理想的黑体．
(Kirchhoff)，在的物体所辐射的与吸收的能量之比与物体本身物性无关,只与和温度有关。按照，在一定温度下，必然是辐射本领最大的物体，可叫作完全辐射体。
(Planck)则给出了的具体谱分布，在一定温度下，单位面积的黑体在单位时间、单位内和单位间隔内辐射出的为
B(λ，T)=2hc2/λ5·1/exp(hc/λRT)-1
B(λ，T)—黑体的(W，m-2，Sr-1，μm-1)
黑体光谱M（λ，T）与、之间关系的公式：
M=c1/[λ^5(exp(c2/λT)-1)]，其中c1=2πhc^2,c2=hc/k.
能量密度公式：
E*dν=c1*v^3*dv/[exp(c2*v/T)-1)]
E*dv表示在频率范围（v,v+dv）中的能量密度。
λ—辐射波长(μm)
T—黑体绝对温度(K、T=t+273k)
C—(2.998×108m/s)
h—，6.626×10-34J·S
K—波尔兹曼常数(Bolfzmann)，1.380×10-23J·K-1
由图2.2可以看出：
①在一定温度下，的谱存在一个极值，这个极值的位置与温度有关，这就是(Wien)
λmT=2.898×103(μm·K)
λm—最大处的波长(μm)
T—黑体的绝对温度(K)
根据维恩定律，我们可以估算，当T～6000K时，λm～0.48μm(绿色)。这就是太阳辐射中大致的最大谱处。
当T～300K，λm～9.6μm，这就是地球物体辐射中大致最大谱处。
②在任一波长处,黑体的谱绝对大于低温黑体的谱辐射亮度，不论这个波长是否是最大辐射亮度处。
如果把B(λ，T)对所有的积分，同时也对各个辐射方向积分，那么可得到斯特番—波耳兹曼定律(Stefan-Boltzmann)，绝对温度为T的单位面积在单位时间内向空间各方向辐射出的总为B(T)
B(T)=δT4(W·m-2)
δ为Stefan-Boltzmann常数,等于5.67×10-8W·m-2·K-4
但现实世界不存在这种理想的，那么用什么来刻画这种差异呢?对任一波长，定义为该波长的一个微小波长间隔内，真实物体的辐射能量与同温下的黑体的辐射能量之比。显然为介于0与1之间的正数，一般发射率依赖于物质特性、环境因素及观测条件。如果与波长无关，那么可把物体叫作(greybody)，否则叫。
新手上路我有疑问投诉建议参考资料 查看>> 机械与运载工程学院 >> 机械设计制造及其自动化专业 >>
2011 秋季学期&
机械与运载工程学院&
2/30（30讲课学时）&
全/半年(1:半年2:全年)
必/选修(1:选修2:必修)
第5学期1周至8周&
综合楼506/402&
核心能力关联
课程概述&传热学&是热能与动力工程、机械工程专业本科生的重要专业基础课，通过该课程的教学使学生能够深入理解热传递过程的基本概念和规律，为后续专业课的学习、也为更高层次的热科学理论学习或研究工作奠定扎实的传热学基础；通过传热学的理论学习和实验研究整个教学过程，使学生能熟练掌握热量传递的基本规律与分析原理，解决工程实际问题的能力，培养学生分析问题、概括问题的能力；课程内容主要包括：导热基本定律及稳态导热、非稳态导热、对流换热、凝结与沸腾换热、热辐射基本定律及物体辐射辐射特性、辐射换热的计算、传热过程分析与换热器计算等。课程目标1、绪论：掌握热量传递的基本方式与传热过程基本概念，了解传热学的主要研究方法。2、导热基本定律及稳态热传导：掌握导热的基本概念和定律，理解导热问题的数学描述，掌握典型一维稳态导热问题的分析解计算方法，了解其它导热问题的求解过程。3、非稳态热传导：掌握非稳态导热的基本概念与零维问题的分析解法，了解典型一维物体非稳态导热的分析解。4、导热问题的数值解法：掌握数值解法的基本思想及稳态热传导问题的数值解法。5、对流传热的理论基础：掌握对流传热的基本概念与类型，理解对流传热问题的数学描述及其简化方法，能够应用分析解求解简单的对流传热问题。6、单相对流传热的实验关联式：掌握相似原理与量纲分析方法，理解内部强制对流传热的实验关联式，了解外部强制对流传热&&流体横掠平板、单管及管簇的实验关联式，自然对流传热的实验关联式。7、相变对流传热：掌握凝结传热、沸腾传热的基本概念，了解凝结传热、沸腾传热的实验关联式。8、热辐射与辐射传热的计算：掌握热辐射的基本概念、黑体辐射的基本定律、辐射传热的角系数，理解实际物体和灰体的辐射过程，掌握封闭系统中被透热介质隔开的灰体表面间的辐射传热的计算方法，理解辐射传热的控制方法9、传热过程与换热器：掌握传热过程的分析与计算方法，了解换热器的类型，理解换热器的传热计算方法，了解换热器传热过程的强化和削弱方式。10、工程应用实例：了解传热学的基础理论知识在工程实际中的一些应用状况。课程要求本课程的前导课程为高等数学、工程热力学、流体力学，学生必须掌握上述课程的基础知识。答疑地点机械与运载工程学院院楼<span lang="EN-US" style="font-family: 宋体; font-size: 12 mso-font-kerning: 0 mso-bidi-font-family: 宋体; mso-fareast-font-family: 楷体_GB室指定教材邓元望, 袁茂强, 刘长青. 传热学. 北京： 中国水利水电出版社, 2010参考阅读杨世铭, 陶文铨. 传热学. 高等教育出版社, 2007评分方式(仅供参考)总评成绩=平时成绩（含考勤和作业）+末考试成绩。其中平时成绩占30%，期末成绩占70%。
课程进度表
& 195绪论：热量传递的基本方式&98绪论：传热过程、传热学的主要研究方法；导热的基本概念和定律2912导热问题的数学描述&&915 典型一维稳态导热问题的分析解；肋片的稳态导热3919 非稳态导热的基本概念；零维问题的分析解法&922 数值解法的基本思想；稳态热传导问题的数值解法4926对流传热概述；对流传热问题的数学描述&929边界层型对流传热问题的数学描述；流体外掠平板传热层流的分析解53相似原理与量纲分析&&6内部强制对流传热的实验关联式；外部强制对流传热&&流体横掠平板、单管及管簇的实验关联式；61010凝结传热；沸腾传热&1013热辐射的基本概念；黑体辐射的基本定律71017实际物体和灰体的辐射；辐射传热的角系数&1020封闭系统中被透热介质隔开的灰体表面间的辐射传热81024辐射传热的控制；传热过程的分析与计算；换热器的类型&&&&&&&&&&&
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