材料科學(xué)基礎(chǔ)(熱工設(shè)備)

第三章傳熱學(xué)第一節(jié)概述第二節(jié)熱傳導(dǎo)第三節(jié)對流傳熱第四節(jié)熱輻射第五節(jié)傳熱過程與換熱器10/8/20231第三章傳熱學(xué)第四節(jié)熱輻射10/8/20232

第三章傳熱學(xué)

—第四節(jié)熱輻射4.1熱輻射的基本概念4.2黑體輻射的基本定律4.3實際固體和液體的輻射特性4.4實際固體的吸收比和基爾霍夫定律4.5角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算4.6兩固體表面間的輻射換熱4.7輻射換熱的強(qiáng)化與削弱4.8氣體輻射10/8/202334.1熱輻射的基本概念１.定義：輻射：物體通過電磁波來傳遞能量的過程。熱輻射：物體由于熱的原因以電磁波的形式向外發(fā)射能量懂的過程。２.特點a任何物體只要溫度高于0K，就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；10/8/202344.1熱輻射的基本概念10/8/202354.1熱輻射的基本概念２.特點b不需要介質(zhì)，可以在真空中傳播；c伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變d具有強(qiáng)烈的方向性e輻射能與溫度和波長均有關(guān)；10/8/202363.物體對熱輻射的吸收、反射和穿透

吸收率absorptivity透過率transmissivity反射率reflectivity4.1熱輻射的基本概念10/8/20237對于大多數(shù)的固體和液體：對于不含顆粒的氣體：對于黑體：鏡體或白體：透明體：4.1熱輻射的基本概念10/8/20238反射又分鏡反射和漫反射兩種鏡反射漫反射4.1熱輻射的基本概念10/8/202394.透熱體、白體與黑體黑體：能全部吸收輻射能的物體α=1；白體：能全部反射輻射能的物體ρ=1；透熱體：能全部透過輻射能的物體τ=1；灰體：能以相同的吸收率α，吸收全部波長輻射能的物體。工業(yè)上，多數(shù)物體都可近似視為灰體4.1熱輻射的基本概念10/8/202310

1.黑體概念

黑體：是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體，是一種科學(xué)假想的物體，現(xiàn)實生活中是不存在的。但卻可以人工制造出近似的人工黑體。黑體模型4.2黑體輻射的基本定律10/8/202311

（１）輻射力E(W/m2)：單位時間內(nèi)，物體單位表面積向半球空間發(fā)射的所有波長的能量總和。2.熱輻射能量的表示方法4.2黑體輻射的基本定律10/8/202312（２）單色輻射力Eλ

(W/m3)：

單位時間內(nèi)，單位波長范圍內(nèi)(包含某一給定波長)，物體單位表面積向半球空間發(fā)射的能量。4.2黑體輻射的基本定律10/8/202313E、Eλ關(guān)系:黑體一般采用下標(biāo)b表示，如黑體的輻射力為Eb，黑體的單色輻射力為Ebλ4.2黑體輻射的基本定律10/8/202314微元立體角（３）方向輻射力Eφ(W/m2Sr)：

方向輻射力是定義來描述物體表面輻射能量在半球空間中的分布特征，其定義為單位時間單位輻射面積向半球空間中某一個方向上單位立體角內(nèi)輻射的所有波長的輻射能量。4.2黑體輻射的基本定律10/8/202315球面面積除以球半徑的平方稱為立體角，單位：sr(球面度)。立體角定義：4.2黑體輻射的基本定律10/8/202316定義：單位時間內(nèi)，物體在垂直發(fā)射方向單位面積上，在單位立體角內(nèi)發(fā)射的一切波長的能量。

（４）定向輻射強(qiáng)度Ｉ

：4.2黑體輻射的基本定律10/8/2023173.黑體輻射的基本定律及相關(guān)性質(zhì)(1)斯蒂芬stefan—波爾茲曼Boltzmann定律Eb——絕對黑體輻射力，W/m2；T——黑體的熱力學(xué)溫度K，σ——玻耳茲曼常數(shù)（黑體輻射常數(shù)），其值為5.67×10-8W/m2.k4。4.2黑體輻射的基本定律10/8/2023183.黑體輻射的基本定律及相關(guān)性質(zhì)(1)斯蒂芬stefan—波爾茲曼Boltzmann定律

Cb為黑體的輻射系數(shù)，其數(shù)值為5.669W/m2.K4

黑體的輻射能力與熱力學(xué)溫度的四次方成正比——四次方定律4.2黑體輻射的基本定律10/8/2023193.黑體輻射的基本定律及相關(guān)性質(zhì)(1)斯蒂芬stefan—波爾茲曼Boltzmann定律

黑度ε：同一溫度下，實際物體與黑體的輻射能力之比。只與物體本身的情況有關(guān)，與外界的情況無關(guān)，實驗測定。4.2黑體輻射的基本定律10/8/202320式中，λ—波長，m；T—黑體溫度，K；

c1

—第一輻射常數(shù)，3.742×10-16W

m2；

c2—第二輻射常數(shù)，1.4388×10-2

ｍ

K；

(2)Planck定律(第一個定律)：黑體單色輻射力3.黑體輻射的基本定律及相關(guān)性質(zhì)4.2黑體輻射的基本定律10/8/202321Planck定律的圖示4.2黑體輻射的基本定律10/8/202322（3）Wien位移定律(第二個定律)

反映出黑體溫度越高其單色輻射力最大值所對應(yīng)的波長越短的黑體輻射特征，也就是黑體溫度越高能量分布就越向波長短方向集中的特征。4.2黑體輻射的基本定律10/8/202323(4)Stefan-Boltzmann定律(第三個定律)：

式中，σ=5.67×10-8w/(m2

K4)，是Stefan-Boltzmann常數(shù)。4.2黑體輻射的基本定律10/8/202324黑體輻射函數(shù)：反映黑體在波長λ1和λ2區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力特定波長區(qū)段內(nèi)的黑體輻射力△Ｅｂ4.2黑體輻射的基本定律10/8/202325(5)Lambert定律(第四個基本定律)Lambert定律也稱為余弦定律。4.2黑體輻射的基本定律例題p173ex3.610/8/2023261.輻射率黑體的輻射特性：同溫度下，黑體發(fā)射熱輻射的能力最強(qiáng)，包括所有方向和所有波長；真實物體表面的輻射能力低于同溫度下的黑體；輻射率(也稱為黑度)

：相同溫度下，實際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比:4.3實際固體和液體的輻射特性10/8/202327灰體△單色發(fā)射能力Eλ：W/m2指：一定溫度下，單位時間，單位面積上，物體發(fā)射的某一波長的總能量?！骱隗w的發(fā)射能力Eb：△灰體對任何波長：4.3實際固體和液體的輻射特性10/8/202328２.實際物體的輻射與黑度隨方向和光譜變化WavelengthBlackbodyRealsurface實際物體的輻射力與黑體輻射力之比:4.3實際固體和液體的輻射特性10/8/202329

實際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比：

實際物體的定向輻射強(qiáng)度與黑體的定向輻射強(qiáng)度之比：該值為常數(shù)時，為漫發(fā)射4.3實際固體和液體的輻射特性10/8/202330實際物體、黑體和灰體的輻射能量光譜灰體4.3實際固體和液體的輻射特性10/8/202331Semi-transparentmedium當(dāng)外界的輻射投入到物體表面上時，該物體對投入輻射吸收的情況又是如何呢？4.3實際固體和液體的輻射特性10/8/2023321.投入輻射：單位時間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射能2.選擇性吸收：投入輻射本身具有光譜特性，因此，實際物體對投入輻射的吸收能力也根據(jù)其波長的不同而變化，這叫選擇性吸收4.4實際固體的吸收比和基爾霍夫定律

10/8/2023333.吸收比：物體對投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)，通常用

表示，即4.光譜吸收比：物體對某一特定波長的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨波長的變化體現(xiàn)了實際物體的選擇性吸收的特性。4.4實際固體的吸收比和基爾霍夫定律

10/8/202334金屬導(dǎo)電體的光譜吸收比同波長的關(guān)系4.4實際固體的吸收比和基爾霍夫定律

10/8/202335非導(dǎo)電體材料的光譜吸收比同波長的關(guān)系4.4實際固體的吸收比和基爾霍夫定律

10/8/202336灰體

灰體是指物體單色輻射力與同溫度黑體單色輻射力隨波長的變化曲線相似，或它的單色發(fā)射率不隨波長變化的物體；光譜吸收比與波長無關(guān)的物體稱為灰體。此時，不管投入輻射的分布如何，吸收比

都是同一個常數(shù)。4.4實際固體的吸收比和基爾霍夫定律

10/8/202337物體的吸收比除與自身表面性質(zhì)的溫度有關(guān)外，還與投入輻射按波長的能量分布有關(guān)。設(shè)下標(biāo)1、2分別代表所研究的物體和產(chǎn)生投入輻射的物體，則物體1的吸收比為4.4實際固體的吸收比和基爾霍夫定律

10/8/2023384.4實際固體的吸收比和基爾霍夫定律

如果投入輻射來自黑體，由于上式變?yōu)椋?0/8/202339物體表面對黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系4.4實際固體的吸收比和基爾霍夫定律

10/8/202340灰體法，即將光譜吸收比

(

)等效為常數(shù)，即

=

(

)=const。并將

(

)與波長無關(guān)的物體稱為灰體，與黑體類似，它也是一種理想物體，但對于大部分工程問題來講，灰體假設(shè)帶來的誤差是可以容忍的；譜帶模型法，即將所關(guān)心的連續(xù)分布的譜帶區(qū)域劃分為若干小區(qū)域，每個小區(qū)域被稱為一個譜帶，在每個譜帶內(nèi)應(yīng)用灰體假設(shè)。4.4實際固體的吸收比和基爾霍夫定律

10/8/202341投入輻射與吸收輻射二者之間的聯(lián)系：板1時黑體，板2是任意物體，參數(shù)分別為Eb,T1以及E,

,T2，則當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時，有4.4實際固體的吸收比和基爾霍夫定律

10/8/202342

灰體

黑體EEb(1-α)EbEbα4.4實際固體的吸收比和基爾霍夫定律

５.Kirchhoff

定律10/8/2023434.4實際固體的吸收比和基爾霍夫定律

５.Kirchhoff

定律10/8/202344表明物體在某溫度下的輻射力與其對同溫度黑體輻射的吸收率之比恒等于該溫度下黑體的輻射力。故吸收率高的物體其輻射能力也就越強(qiáng)，黑體的吸收率最大，因而輻射能量就最強(qiáng)。4.4實際固體的吸收比和基爾霍夫定律

５.Kirchhoff

定律10/8/202345

定律的限制：整個系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；如物體的吸收率和發(fā)射率與溫度有關(guān)，則二者只有處于同一溫度下的值才能相等；投射輻射源必須是同溫度下的黑體。4.4實際固體的吸收比和基爾霍夫定律

５.Kirchhoff

定律10/8/202346Kirchhoff

定律在實際工程應(yīng)用中采用不同層次上的表達(dá)式。層次數(shù)學(xué)表達(dá)式成立條件光譜，定向光譜，半球全波段，半球無條件，

為頂角漫射表面與黑體處于熱平衡或?qū)β冶砻鍷irchhoff

定律的不同表達(dá)式4.4實際固體的吸收比和基爾霍夫定律

10/8/202347注：漫射表面：指發(fā)射或反射的定向輻射強(qiáng)度與空間方向無關(guān)，即符合Lambert定律的物體表面；灰體：指光譜吸收比與波長無關(guān)的物體，其發(fā)射和吸收輻射與黑體在形式上完全一樣，只是減小了一個相同的比例。4.4實際固體的吸收比和基爾霍夫定律

５.Kirchhoff

定律10/8/202348表面相對位置的影響兩個表面之間的輻射換熱量與兩個表面之間的相對位置有很大關(guān)系4.5角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算10/8/202349

角系數(shù)是進(jìn)行輻射換熱計算時空間熱組的主要組成部分。定義：把表面1發(fā)出的輻射能中落到表面2上的百分?jǐn)?shù)稱為表面1對表面2的角系數(shù)，記為X1,2。同理，表面2發(fā)出的輻射能中落到表面1上的百分?jǐn)?shù)稱為表面2對表面1的角系數(shù)，記為X2,1

4.5.1角系數(shù)的定義4.5角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算10/8/2023504.5.2角系數(shù)的性質(zhì)研究角系數(shù)的性質(zhì)是用代數(shù)法（代數(shù)分析法）求解角系數(shù)的前提：假定：（1）所研究的表面是漫射的

（2）在所研究表面的不同地點上向外發(fā)射的輻射熱流密度是均勻的4.5角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算10/8/202351兩微元面間的輻射4.5角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算10/8/2023521、角系數(shù)的相對（互換性）一個微元表面到另一個微元表面的角系數(shù)4.5角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算10/8/202353(2)(3)兩微元表面角系數(shù)的相對性表達(dá)式：(1)同理：整理（1）、（2）式得：4.5角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算10/8/202354兩個有限大小表面之間角系數(shù)的相對性當(dāng)時，凈輻射換熱量為零，且則有限大小表面間角系數(shù)的相對性的表達(dá)式：(4)4.5角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算10/8/202355

2、角系數(shù)的完整性（歸一性）

對于由幾個表面組成的封閉系統(tǒng)，據(jù)能量守衡原理，從任何一個表面發(fā)射出的輻射能必全部落到封閉系統(tǒng)的個表面上。因此，任何一個表面對封閉腔各表面的角系數(shù)之間存在下列關(guān)系：

(5)4.5角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算10/8/202356自見性：若表面1為非凹表面時，X1,1=0；若表面1為凹表面，4.5角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算10/8/202357

3、角系數(shù)的可分性從表面1上發(fā)出而落到表面2上的總能量，等于落到表面2上各部分的輻射能之和,于是如把表面2進(jìn)一步分成若干小塊，則有(6)4.5角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算10/8/202358角系數(shù)的可加性

注意，利用角系數(shù)可加性時，只有對角系數(shù)符號中第二個角碼是可加的，對角系數(shù)符號中的第一個角碼則不存在類似的關(guān)系。4.5角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算10/8/202359從表面2上發(fā)出而落到表面1上的輻射能，等于從表面2的各部分發(fā)出而落到表面1上的輻射能之和，于是有角系數(shù)的上述特性可以用來求解許多情況下兩表面間的角系數(shù)值(7)(8)4.5角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算10/8/202360直接積分法代數(shù)分析法幾何分析法求解角系數(shù)的方法4.5.3角系數(shù)的計算方法4.5角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算10/8/202361按角系數(shù)的基本定義通過求解多重積分而獲得角系數(shù)的方法如圖所示的兩個有限大小的面積，可以得到微元面積對的角系數(shù)為1、直接積分法4.5角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算10/8/202362上式積分可得即4.5角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算10/8/2023632、代數(shù)分析法

利用角系數(shù)的相對性、完整性及可加性，通過求解代數(shù)方程而獲得角系數(shù)的方法稱為代數(shù)分析法。

(1)三個非凹表面組成的封閉系統(tǒng)三個非凹表面組成的封閉系統(tǒng)4.5角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算10/8/202364由角系數(shù)完整性由角系數(shù)相對性4.5角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算10/8/202365上述方程解得：由于垂直紙面方向的長度相同，則有：4.5角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算10/8/202366兩個非凹表面及假想面組成的封閉系統(tǒng)(2)任意兩個非凹表面間的角系數(shù)4.5角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算10/8/202367根據(jù)角系數(shù)的完整性：4.5角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算10/8/202368說明：一表面與對應(yīng)表面的角系數(shù)等于，構(gòu)成封閉四邊形的對角線之和減去其余兩邊線段之和然后除以二倍的該表面的面積計算線段。4.5角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算10/8/202369例題4-1，求下列圖形中的角系數(shù)解：4.5角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算10/8/202370解：例題4-2：求圖中1、4兩個表面之間的角系數(shù)10/8/202371如圖所示，黑表面1和2之間的輻射換熱量為4.6兩固體表面間的輻射換熱４.6.１兩黑體表面組成的封閉腔間的輻射換熱10/8/202372（2）有效輻射：單位時間內(nèi)離開單位面積的總輻射能為該表面的有效輻射，記為J。1、物體表面的有效輻射（1）投入輻射：單位時間內(nèi)投射到單位面積上的總輻射能，記為G。４.6.２漫射灰表面之間的輻射換熱計算4.6兩固體表面間的輻射換熱10/8/202373例題p178ex3.7有效輻射自身射輻射E投入輻射被反射輻射的部分4.6兩固體表面間的輻射換熱10/8/202374

從表面外部來觀察，其能量收支差額應(yīng)等于有效輻射Ｊ與投入輻射Ｇ之差，即從表面內(nèi)部觀察，該表面與外界的輻射換熱量應(yīng)為：4.6兩固體表面間的輻射換熱10/8/202375聯(lián)立方程式，消去Ｇ，得到J與表面凈輻射換熱量之間的關(guān)系:稱為表面輻射熱阻4.6兩固體表面間的輻射換熱10/8/2023762漫射灰表面之間的輻射熱交換4.6兩固體表面間的輻射換熱10/8/202377特例：黑體間的輻射換熱量4.6兩固體表面間的輻射換熱10/8/202378兩個物體組成的輻射換熱系統(tǒng)３、兩灰表面組成的封閉腔的輻射換熱4.6兩固體表面間的輻射換熱10/8/202379兩個表面的凈換熱量為據(jù)熱量平衡4.6兩固體表面間的輻射換熱10/8/202380代入整理得兩封閉表面間的輻射換熱網(wǎng)絡(luò)圖表面輻射熱阻空間輻射熱阻4.6兩固體表面間的輻射換熱10/8/202381若以為計算面積，上式可改寫為：定義系統(tǒng)黑度(或稱為系統(tǒng)發(fā)射率)4.6兩固體表面間的輻射換熱10/8/202382三種特殊情形(1)

表面1為凸面或平面，此時，X1,2＝1，于是4.6兩固體表面間的輻射換熱10/8/202383(2)

表面積A1比表面積A2小得多，即A1/A2

0于是(3)

表面積A1與表面積A2相當(dāng)，即A1/A2

14.6兩固體表面間的輻射換熱10/8/202384已知，，，求測溫誤差？

某房間吊裝一水銀溫度計讀數(shù)為15℃，已知溫度計頭部發(fā)射率（黑度）為0.9，頭部與室內(nèi)空氣間的對流換熱系數(shù)為20W/m2K，墻表面溫度為10℃

，求該溫度計的測量誤差。如何減小測量誤差？℃

℃

討論練習(xí)：4.6兩固體表面間的輻射換熱10/8/202385℃

4.6兩固體表面間的輻射換熱例題p183ex3.810/8/202386４三個凸形漫灰表面間的輻射換熱計算4.6兩固體表面間的輻射換熱10/8/2023874.6兩固體表面間的輻射換熱10/8/202388a有一個表面為黑體。黑體的表面熱阻為零。其網(wǎng)絡(luò)圖如下：５.兩個重要特例4.6兩固體表面間的輻射換熱10/8/202389b有一個表面絕熱，即該表面的凈換熱量為零。其網(wǎng)絡(luò)圖見下圖：4.6兩固體表面間的輻射換熱10/8/202390總結(jié)：

輻射傳熱速率的計算

4.6兩固體表面間的輻射換熱式中C1-2——總輻射系數(shù)；

A——傳熱面積；

1-2——角系數(shù)(物體1發(fā)射輻射能被2攔截分率)。10/8/202391①平行壁面間4.6兩固體表面間的輻射換熱10/8/202392②1被2包圍4.6兩固體表面間的輻射換熱10/8/202393影響輻射傳熱的因素1.溫度的影響

ＱT4

，低溫時可忽略，高溫時可能成為主要方式2.幾何位置的影響3.表面黑度的影響

Ｑ，可通過改變黑度的大小強(qiáng)化或減小輻射傳熱。4.輻射表面間介質(zhì)的影響減小輻射散熱，在兩換熱面加遮熱板（黑度較小的熱屏）。

4.6兩固體表面間的輻射換熱10/8/202394強(qiáng)化輻射換熱的主要途徑有兩種：增加發(fā)射率；增加角系數(shù)。削弱輻射換熱的主要途徑有三種：降低發(fā)射率；降低角系數(shù)；加入遮熱板