第5章-热辐射及辐射传热

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1、 石油工程传热学石油工程传热学2021/3/111 石油工程传热学石油工程传热学2021/3/112 石油工程传热学石油工程传热学2021/3/113 石油工程传热学石油工程传热学第5章 热辐射及辐射传热5-1热辐射的基本概念5-2黑体辐射的基本定律5-3黑体表面间的辐射传热与角系数5-4实际物体辐射的基本规律5-5封闭系统中灰体表面间的辐射传热2021/3/114 石油工程传热学石油工程传热学5-1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念一、热辐射本质一、热辐射本质1 1、基本概念、基本概念辐射辐射：物体以电磁波向外传递能量的现象。：物体以电磁波向外传递能量的现象。 热热辐辐射射: :由由于于物物

2、体体内内部部微微观观粒粒子子的的热热运运动动状状态态改改变变，而而将将部部分分内内能能转转换换成成电电磁磁波波的的能能量量发发射射出出去去的的过过程程。电电磁磁波波落落到到物物体体上上，一一部部分分被被物物体体吸收，将电磁波的能量重新转换成内能。吸收，将电磁波的能量重新转换成内能。 2021/3/115 石油工程传热学石油工程传热学2 2、特点：、特点：不需要物体直接接触。可在真空中传递不需要物体直接接触。可在真空中传递( (最有效最有效）有能量的转化。有能量的转化。辐射：辐射体内热能辐射：辐射体内热能辐射能辐射能吸收：辐射能吸收：辐射能受射体内热能受射体内热能只只要要T0K,T0K,就就有有

3、能能量量辐辐射射。高高温温物物体体低低温温物物体体双双向辐射热能向辐射热能物体的辐射能力与绝对温度的四次方成正比。物体的辐射能力与绝对温度的四次方成正比。电磁波遵循电磁波遵循c c =规律规律2021/3/116 石油工程传热学石油工程传热学3 3、电磁波谱、电磁波谱 由于起因不同，物体发出电磁波的波长也同。由于起因不同，物体发出电磁波的波长也同。热辐射的波长主要位于热辐射的波长主要位于0.101000m的范围内。的范围内。热射线：热射线：热辐射产生的电磁波热辐射产生的电磁波2021/3/117 石油工程传热学石油工程传热学工业上一般物体工业上一般物体(T800K)，可见光份额才有所升高。常温

4、下，实际，可见光份额才有所升高。常温下，实际物体的辐射主要是红外辐射。物体的辐射主要是红外辐射。2021/3/1125 石油工程传热学石油工程传热学三、维恩位移定律三、维恩位移定律(1893(1893年年) )2021/3/1126 石油工程传热学石油工程传热学应用举例应用举例2021/3/1127 石油工程传热学石油工程传热学思考思考1 1、一铁块放入高温炉中加热，从辐射的角度分析铁块的颜色变化过程、一铁块放入高温炉中加热，从辐射的角度分析铁块的颜色变化过程用它可测定太空星体表面温度，也可用来选择对特定地物的监测用它可测定太空星体表面温度，也可用来选择对特定地物的监测波段，如火灾检测。波段，

5、如火灾检测。2 2、黑体一定是黑色的吗？、黑体一定是黑色的吗？3 3、节能灯原理？、节能灯原理？2021/3/1128 石油工程传热学石油工程传热学三、三、Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann定律定律式中，式中，= 5.6710= 5.6710-8-8 W/(m W/(m2 2 K K4 4) )，是斯蒂芬，是斯蒂芬- -波尔兹波尔兹曼常数。曼常数。描述了黑体辐射力随表面温度的变化规律。描述了黑体辐射力随表面温度的变化规律。18791879年年StefanStefan实实验验，18841884年年 BoltzmanBoltzman热热力力学学理论得出；将理论得出；将

6、Planks LawPlanks Law积分即得。积分即得。2021/3/1129 石油工程传热学石油工程传热学黑体辐射函数黑体辐射函数定定义义：在在0的的波波长长范范围围内内黑黑体体发发出出的的辐辐射射能能在在其其辐射力中所占份额。辐射力中所占份额。图图中中的的在在 1和和 2之之间间的的线线下下面面积积。黑黑体体在在波波长长1和和2区段内所发射的辐射力：区段内所发射的辐射力：2021/3/1130 石油工程传热学石油工程传热学黑体辐射函数黑体辐射函数定定义义：在在0的的波波长长范范围围内内黑黑体体发发出出的的辐辐射射能能在在其其辐射力中所占份额，辐射力中所占份额，Fb(0) 。将将Eb用普

7、朗克定律代入得：用普朗克定律代入得：2021/3/1131 石油工程传热学石油工程传热学波段辐射力波段辐射力: :在在12的波长范围黑体的波段的波长范围黑体的波段辐射函数为：辐射函数为：黑体辐射函数黑体辐射函数2021/3/1132 石油工程传热学石油工程传热学四、四、 Lambert Lambert 定律定律定向辐射强度的定义图定向辐射强度的定义图可以证明：可以证明：黑体辐射的定向辐射强度与方向无关。黑体辐射的定向辐射强度与方向无关。 它说明黑体的定向辐射力随天顶角它说明黑体的定向辐射力随天顶角 呈余弦呈余弦规律变化。规律变化。 LambertLambert定律也称为余弦定律。定律也称为余弦

8、定律。黑体黑体辐射能在空间不同方向上的分布不均匀：法向最辐射能在空间不同方向上的分布不均匀：法向最大，切向最小（为零）。大，切向最小（为零）。2021/3/1133 石油工程传热学石油工程传热学注意：注意：1 1）对对服服从从LambertLambert定定律律的的表表面面，辐辐射射强强度度与与辐辐射射力的关系。力的关系。 2 2）定定向向辐辐射射强强度度与与方方向向无无关关的的表表面面漫漫射射表表面面3 3）对对黑黑体体辐辐射射强强度度的的理理解解：相相当当于于“灯灯泡泡亮亮度度”，即从不同方向看过去，其亮度都是一样的。，即从不同方向看过去，其亮度都是一样的。 2021/3/1134 石油工

9、程传热学石油工程传热学黑体辐射定律小结黑体辐射定律小结 、Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann定定律律：描描述述黑黑体体在在某某一一温温度度下下向向半半球球空空间间所所有有方方向向辐辐射射的的全全部部波波长长的的能能量量，即即对方向和波长都积分的结果。对方向和波长都积分的结果。、PlanckPlanck定定律律：描描述述黑黑体体在在某某一一温温度度下下向向半半球球空空间间所所有有方方向向辐辐射射的的能能量量沿沿波波长长分分布布的的规规律律，即即只只对对方向积分，但研究的是某一波长。方向积分，但研究的是某一波长。、LambertLambert定定律律 ：描描述述黑黑体

10、体在在某某一一温温度度下下所所辐辐射射的的全全部部波波长长的的能能量量沿沿半半球球空空间间方方向向上上的的分分布布规规律律，即只对波长积分，但研究的是某一方向。即只对波长积分，但研究的是某一方向。对黑体而言，辐射强度是常数。对黑体而言，辐射强度是常数。2021/3/1135 石油工程传热学石油工程传热学v任意放置的两个黑体表面:v面积A1、A2v温度T1、T2v如何计算它们的传热量？5-3 黑体表面间的辐射传热与角系数黑体表面间的辐射传热与角系数2021/3/1136 石油工程传热学石油工程传热学v表面1发出的辐射能Eb1A1v表面2发出的辐射能Eb2A2v二者相减是不是它们之间的换热量？v为

11、什么？2021/3/1137 石油工程传热学石油工程传热学 在在表表面面面面积积、温温度度确确定定的的条条件件下下，表表面面1 1发发出出的的辐辐射射能能未未必必全全部部落落到到表表面面2 2上上，同同样样表表面面2 2发发出的辐射能未必全部落到表面出的辐射能未必全部落到表面1 1上上v表面相对位置不同，黑体发出的辐射能落到对方上的数量是不同的因为表面是向其上的半球空间发射的2021/3/1138 石油工程传热学石油工程传热学v两个表面之间的辐射换热量与两个表面之间的相对两个表面之间的辐射换热量与两个表面之间的相对位置有很大关系位置有很大关系表面相对位置的影响表面相对位置的影响va a图中两表

12、面无限接近，相互间的换热量最大；图中两表面无限接近，相互间的换热量最大；vb b图中两表面位于同一平面上，相互间的辐射换热量为零。图中两表面位于同一平面上，相互间的辐射换热量为零。2021/3/1139 石油工程传热学石油工程传热学一、角系数一、角系数 同理，表面同理，表面2发出发出的辐射能中的辐射能中落到落到表面表面2上的上的百分数百分数称为表面称为表面2对表面对表面1的角系数，的角系数，记为记为X2,1。 角角系系数数是是进进行行辐辐射射换换热热计计算算时时空空间间热热阻的主要组成部分。阻的主要组成部分。 角角系系数数：把把表表面面1发发出出的的辐辐射射能能中中落落到到表表面面2上上的的百

13、百分分数数称称为为表表面面1对对表表面面2的的角角系数，记为系数，记为X1,2。2021/3/1140 石油工程传热学石油工程传热学二、角系数的性质二、角系数的性质v研究角系数的性质是用代数法（代数分析法）求研究角系数的性质是用代数法（代数分析法）求解角系数的前提。解角系数的前提。v假定：假定：所研究的表面是漫射的所研究的表面是漫射的在所研究表面的不同地点上向外发射的辐射在所研究表面的不同地点上向外发射的辐射热流密度是均匀的热流密度是均匀的2021/3/1141 石油工程传热学石油工程传热学1 1、角系数的相对性、角系数的相对性当当T1=T2时，净辐射换热量为零，即时，净辐射换热量为零，即Eb

14、1=Eb2则两个表面间角系数的相对性的表达式则两个表面间角系数的相对性的表达式： 两两个个黑黑体体表表面面间间进进行行辐辐射射换换热热，表表面面1辐辐射射到到表表面面2的的辐辐射射能能为为A1Eb1X1,2，表表面面2辐辐射射到到表表面面1的的辐辐射射能能为为A2Eb2X2,1，两两黑黑体体表表面面间间的的净净辐辐射射换热量为：换热量为： 由由于于角角系系数数是是纯纯几几何何因因素素，与与是是否否黑黑体体无无关，所以相对性也适用于其它漫射表面。关，所以相对性也适用于其它漫射表面。2021/3/1142 石油工程传热学石油工程传热学2 2、角系数的完整性、角系数的完整性角系数的完整性角系数的完整

15、性注：注：若表面若表面1为非凹表面时，为非凹表面时，X1,1=0；若表面；若表面1为为凹表面，凹表面，3 3、角系数的有界性、角系数的有界性2021/3/1143 石油工程传热学石油工程传热学 如图：从表面如图：从表面1 1上发出而落上发出而落到表面到表面2 2上的总能量，等于落到上的总能量，等于落到表面表面2 2上各部分的辐射能之和：上各部分的辐射能之和：4 4、角系数的分解性、角系数的分解性( (可加性可加性) )如把表面如把表面2 2进一步分成若干小块，则有进一步分成若干小块，则有角系数的可加性角系数的可加性2021/3/1144 石油工程传热学石油工程传热学三、确定角系数的方法三、确定

16、角系数的方法v从角系数的定义出发直接求得从角系数的定义出发直接求得v积分法积分法v查曲线法查曲线法v代数分析法代数分析法v投影法（几何图形法）投影法（几何图形法）T2T12021/3/1145 石油工程传热学石油工程传热学(1)(1)三个非凹表面组成的封闭系统三个非凹表面组成的封闭系统图图8-23 8-23 三个非凹表面组成的封闭系统三个非凹表面组成的封闭系统四、用代数法求角系数四、用代数法求角系数2021/3/1146 石油工程传热学石油工程传热学由角系数完整性由角系数完整性由角系数相对性由角系数相对性A3A2A1三表面封闭空间三表面封闭空间角系数的确定角系数的确定 2021/3/1147

17、石油工程传热学石油工程传热学上述方程解得：上述方程解得：由于垂直黑板方向的长度相同，则有：由于垂直黑板方向的长度相同，则有：2021/3/1148 石油工程传热学石油工程传热学(2)任意两个非凹表面间的角系数 如如图图：表表面面和和假假定定在在垂垂直直于于纸纸面面的的方方向向上上表表面面的的长长度度是是无无限限延延伸伸的的，只只有有封封闭闭系系统统才才能能应应用用角角系系数数的的完完整整性性，为为此此作作辅辅助助线线acac和和bdbd，与与abab、cdcd一起构成封闭腔。一起构成封闭腔。两个非凹表面及假想面两个非凹表面及假想面组成的封闭系统组成的封闭系统2021/3/1149 石油工程传热

18、学石油工程传热学根据角系数的完整性：根据角系数的完整性：两个非凹表面及假想面组两个非凹表面及假想面组成的封闭系统成的封闭系统2021/3/1150 石油工程传热学石油工程传热学 上述方法又被称为上述方法又被称为交叉线法交叉线法。注意：这里所。注意：这里所谓的交叉线和不交叉线都是指虚拟面断面的线，谓的交叉线和不交叉线都是指虚拟面断面的线，或者说是辅助线。或者说是辅助线。两个非凹表面及假想面组两个非凹表面及假想面组成的封闭系统成的封闭系统2021/3/1151 石油工程传热学石油工程传热学例题例题8-18-1，求下列图形中的角系数，求下列图形中的角系数解：解：2021/3/1152 石油工程传热学

19、石油工程传热学解：解：解：解：解：解：2021/3/1153 石油工程传热学石油工程传热学解解：从从图图中中可可知知，表表面面2 2对对表表面面3 3和和表表面面2 2对对表表面面1 13 3的的角角系系数都可以从图数都可以从图6 61414中查出：中查出：X X2 2，3 30.100.10X X2 2，1 13 30.150.15。由角系数的可分性由角系数的可分性X X2 2，1 13 3X X2 2，1 1X X2 2，3 3可得到：可得到：X X2 2，1 1X X2 2，1 13 3X X2 2，3 3。再根据角系数的互换性再根据角系数的互换性A A1 1X X1,21,2A A2

20、2X X2,12,1即可得到：即可得到：X X1,21,2A A2 2X X2,12,1/A/A1 1=A=A2 2(X(X2,1+32,1+3-X-X2,32,3)/A)/A1 1=2.5(0.15-0.10)/1=0.125=2.5(0.15-0.10)/1=0.125例例. .试确定如图所示的表面试确定如图所示的表面1 1对表面对表面2 2的角系数的角系数X X1 1，2 2。2021/3/1154 石油工程传热学石油工程传热学二 两黑体表面间的辐射换热v确定了角系数之后，结合斯蒂芬-波尔兹曼定律可以很方便的求出两个黑体表面之间的净换热量 2021/3/1155 石油工程传热学石油工程传

21、热学写成电学中欧姆定律表达式的形式写成电学中欧姆定律表达式的形式 相当于电阻相当于电阻, , 称为称为空间辐射热阻空间辐射热阻 2021/3/1156 石油工程传热学石油工程传热学 5-4 实际物体辐射的基本规律实际物体辐射的基本规律热辐射两个重要性质热辐射两个重要性质光谱性质：光谱性质：光谱辐射力随光谱辐射力随 波长的变化波长的变化方方 向向 性：性：辐射度辐射度v实际物体的光谱辐射力不仅比黑体的光谱辐射力实际物体的光谱辐射力不仅比黑体的光谱辐射力E Ebb小，小，而且而且E E与波长的关系也没有一定的规律性。与波长的关系也没有一定的规律性。一、实际物体一、实际物体2021/3/1157 石

22、油工程传热学石油工程传热学1、发射率、发射率v同温度下，黑体发射热辐射的能力最强；同温度下，黑体发射热辐射的能力最强；v真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体v发射率发射率( (也称为也称为黑度黑度) ) ：相同温度下，实际物相同温度下，实际物体的辐射力与黑体辐射力之比体的辐射力与黑体辐射力之比: :实验证明：实际物体的辐射力并不严格地与温度的四次方成实验证明：实际物体的辐射力并不严格地与温度的四次方成比例，为了计算方便，将偏差考虑到比例，为了计算方便，将偏差考虑到中。中。 与温度有关与温度有关2021/3/1158 石油工程传热学石油工程传热学 公式

23、只是针对方向和光谱平均的情况，但实际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。上，真实表面的发射能力是随方向和光谱变化的。WavelengthDirection (angle from the surface normal)2021/3/1159 石油工程传热学石油工程传热学2021/3/1160 石油工程传热学石油工程传热学定向发射率定向发射率：实际物体的定向辐射强度与黑体实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：的定向辐射强度之比：2、定向发射率、定向发射率定向发射力定向发射力：在数值上为单位辐射面积在单位时在数值上为单位辐射面积在单位时间内

24、向某一方向单位立体角内发射的辐射能间内向某一方向单位立体角内发射的辐射能2021/3/1161 石油工程传热学石油工程传热学 对于指定波长，而在方向上平均的情况，对于指定波长，而在方向上平均的情况，则定义了则定义了光谱发射率光谱发射率，即即实际物体的光谱辐实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比射力与黑体的光谱辐射力之比3、光谱发射率光谱发射率2021/3/1162 石油工程传热学石油工程传热学几种金属导体在不同方向上的定向发射率几种金属导体在不同方向上的定向发射率 ( )(t=150)2021/3/1163 石油工程传热学石油工程传热学几种非导电体材料在不同方向上的定向发射率几种非导电体材

25、料在不同方向上的定向发射率 ( )(t=093.3)2021/3/1164 石油工程传热学石油工程传热学 某一温度下，实际物体的定向辐射强度在各方向上的某一温度下，实际物体的定向辐射强度在各方向上的变化是不规则的。变化是不规则的。v金金 属：属：在在040基本为常数；然后随着基本为常数；然后随着，；接；接近近90 减小到减小到0v非金属：非金属：在在060 基本为常数；后基本为常数；后 2021/3/1165 石油工程传热学石油工程传热学v半球空间的平均发射率（半球发射率、发射率）半球空间的平均发射率（半球发射率、发射率）v粗糙物体：粗糙物体： v表面光滑的非金属物体表面光滑的非金属物体 ：v

26、高度磨光的金属物体：高度磨光的金属物体：v一般情况下，近似认为，大多数工程材料可以认一般情况下，近似认为，大多数工程材料可以认为是漫反射表面。为是漫反射表面。2021/3/1166 石油工程传热学石油工程传热学几点说明：几点说明：1.1.将不确定因素归于修正系数将不确定因素归于修正系数，这是由于热辐射，这是由于热辐射非常复杂，很难理论确定，是权宜之计；非常复杂，很难理论确定，是权宜之计；2.2.虽然实际物体并非绝对的漫射表面，但仍然近似虽然实际物体并非绝对的漫射表面，但仍然近似地认为大多数工程材料是漫射表面；地认为大多数工程材料是漫射表面；3.3.影响发射率的因素：影响发射率的因素：物质种类、

27、表面温度和表面物质种类、表面温度和表面状况状况。这说明发射率只与发射辐射的物体本身有。这说明发射率只与发射辐射的物体本身有关，而不涉及外界条件。因此，关，而不涉及外界条件。因此，发射率是一个物发射率是一个物性参数性参数。2021/3/1167 石油工程传热学石油工程传热学我们看到的常温物体呈现某我们看到的常温物体呈现某一颜色，解释这一现象。一颜色，解释这一现象。4 4、实际物体的吸收特性（对投入辐射反应）、实际物体的吸收特性（对投入辐射反应）2021/3/1168 石油工程传热学石油工程传热学1 1）吸收选择性吸收选择性：投入辐射本身具有光谱特性，因：投入辐射本身具有光谱特性，因此，实际物体对

28、投入辐射的吸收能力也根据其此，实际物体对投入辐射的吸收能力也根据其波长的不同而变化，这叫吸收选择性波长的不同而变化，这叫吸收选择性 例如：例如：墨镜墨镜、焊接防护镜焊接防护镜解释：物体呈现不同的颜色？解释：物体呈现不同的颜色？黑色：黑色：全部吸收；全部吸收；白色：白色：全部反射全部反射绿色：绿色：反射绿色；反射绿色；灰色：灰色：均匀吸收均匀吸收2021/3/1169 石油工程传热学石油工程传热学2 2）吸收比吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用常用 表示表示，即，即3 3）光谱吸收比光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸：物体对某一特定波长的辐射能

29、所吸收的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比随波收的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。长的变化体现了实际物体的选择性吸收的特性。2021/3/1170 石油工程传热学石油工程传热学室温下几种材料的光谱吸收比同波长的关系室温下几种材料的光谱吸收比同波长的关系金属导电体的光谱吸收比同波长的关系金属导电体的光谱吸收比同波长的关系非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系2021/3/1171 石油工程传热学石油工程传热学根据前面的定义可知，根据前面的定义可知，物体的吸收比除与自身表面物体的吸收比除与自身表面性质（材料种类、粗糙

30、度、氧化情况等）和表面温性质（材料种类、粗糙度、氧化情况等）和表面温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。 实际物体的吸收比实际物体的吸收比 =f（吸收表面性质、温度和投射辐射性质）（吸收表面性质、温度和投射辐射性质）白漆：对太阳光白漆：对太阳光=0.12=0.12；对红外线；对红外线=0.90=0.90黑漆：对太阳光黑漆：对太阳光=0.96=0.96；对红外线；对红外线=0.90=0.902021/3/1172 石油工程传热学石油工程传热学图图6-276-27给出了一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系。给出了一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的

31、关系。如果投入辐射来自黑体，由于如果投入辐射来自黑体，由于 ，则上式可变为，则上式可变为2021/3/1173 石油工程传热学石油工程传热学一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系一些材料对黑体辐射的吸收比与温度的关系2021/3/1174 石油工程传热学石油工程传热学 实际物体的光谱吸收比与黑体相差很大，不实际物体的光谱吸收比与黑体相差很大，不但小于但小于1 1，无规律，且随波长变化。若某一物体的，无规律，且随波长变化。若某一物体的光谱吸收比虽小于光谱吸收比虽小于1 1，但它是一个不随投射辐射的，但它是一个不随投射辐射的波长而变化的常数，则它的吸收比也是一个常数。波长而变化的常数，则它的吸收比

32、也是一个常数。灰体灰体：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。：光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。二、灰体二、灰体2021/3/1175 石油工程传热学石油工程传热学 灰灰体体与与黑黑体体类类似似，它它也也是是一一种种理理想想物物体体，但但对对于于大大部部分分工工程程问问题题来来讲讲，灰灰体体假假设设带带来来的的误误差差是是可可以接受的。以接受的。 灰体灰体的光谱发射率亦为常数。的光谱发射率亦为常数。2021/3/1176 石油工程传热学石油工程传热学发射辐射与吸收辐射二者之间的联系发射辐射与吸收辐射二者之间的联系: 1859年年基基尔尔霍霍夫夫揭揭示示了了与与周周围围环环境境处处于于热热平平

33、衡衡状状态态下下的的实实际际物物体体辐辐射射力力E与与吸吸收收比比间的关系。间的关系。三、基尔霍夫定律三、基尔霍夫定律2021/3/1177 石油工程传热学石油工程传热学如图，板如图，板1是黑体，板是黑体，板2是实际物体，是实际物体，参数分别为参数分别为Eb, T1 以及以及E, , T2图图8-17 平行平板平行平板间的辐射换热间的辐射换热当系统处于热平衡时当系统处于热平衡时q=0，有，有 板板2支出与收入的差额即为两板间支出与收入的差额即为两板间辐射换热的热流密度辐射换热的热流密度q： 2021/3/1178 石油工程传热学石油工程传热学 即基尔霍夫即基尔霍夫定律的表达式之一。表述为：定律

34、的表达式之一。表述为：在热在热平衡条件下，任何物体辐射力与它对黑体辐射的平衡条件下，任何物体辐射力与它对黑体辐射的吸收比之比恒等于同温度下黑体的辐射力。吸收比之比恒等于同温度下黑体的辐射力。说明：说明：(1)(1)整个系统处于热平衡状态；整个系统处于热平衡状态；(2)(2)如物体的吸收率和发射率与温度有关，则二者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；只有处于同一温度下的值才能相等；(3)(3)投射辐射源必须是同温度下的黑体。投射辐射源必须是同温度下的黑体。2021/3/1179 石油工程传热学石油工程传热学推论：推论：(1)(1)善于辐射的物体也必善于吸收同温

35、度下黑体的善于辐射的物体也必善于吸收同温度下黑体的辐射能；辐射能；(2)(2)11，实际物体，实际物体EEEbEb（同温度下），即在同一（同温度下），即在同一温度下，黑体的辐射力最大；温度下，黑体的辐射力最大；(3)(3)在与黑体处于热平衡条件下，任何物体对黑体在与黑体处于热平衡条件下，任何物体对黑体辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率。辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率。(4)(4)对于光谱辐射对于光谱辐射（另一表达形式）（另一表达形式）2021/3/1180 石油工程传热学石油工程传热学对灰体来说：对灰体来说：(1)(1)灰体的吸收比与投射辐射的波长分布无关，即灰体的吸收比与投射辐射

36、的波长分布无关，即只取决于本身情况，而与外界条件无关。只取决于本身情况，而与外界条件无关。(2)(2) 2021/3/1181 石油工程传热学石油工程传热学例：北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。例：北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。试问树叶上、下表面的哪一面结箱试问树叶上、下表面的哪一面结箱? ?为什么为什么? ?答答：霜霜会会结结在在树树叶叶的的上上表表面面。因因为为清清晨晨，上上表表面面朝朝向向太太空空，下下表表面面朝朝向向地地面面。而而太太空空表表面面的的温温度度00，而而地地球球表表面面温温度度一一般般0 0 。由由于于相相对对树树叶叶下下表表面面来来说说，其其上上表表面面

37、需需要要向向太太空空辐辐射射更更多多的的能能量量，所所以以树树叶叶下下表表面面温温度度较较高高，而而上上表表面面温温度度较较低低且且可可能能低低于于零零度度，因因而而容容易易结结霜。霜。2021/3/1182 石油工程传热学石油工程传热学 灰灰体体表表面面间间的的辐辐射射传传热热过过程程比比较较复复杂杂，不不仅仅发发出出辐辐射射，还还有有灰灰体体表表面面间间的的多多次次反反射射辐辐射射。常常常常采采用用有有效效辐辐射射J的的概概念念来来简简化化，但但其其大大小小又又常常常常是是未未知知的的。同同时时由由于于向向外外辐辐射射的的空空间间大大，接接触触的的物物体体多多，常常假假想为是一个想为是一个

38、封闭系统封闭系统，便于计算。，便于计算。求求J方法：方法：辐射网络法辐射网络法假设：假设：表面的有效辐射均匀；灰体；充满透明介质表面的有效辐射均匀；灰体；充满透明介质5-5 5-5 封闭系统中灰体表面间的辐射换热封闭系统中灰体表面间的辐射换热2021/3/1183 石油工程传热学石油工程传热学一、组成辐射网络的基本热阻一、组成辐射网络的基本热阻1 1、表面辐射热阻、表面辐射热阻对任一表面对任一表面i，从，从表面表面i外部外部来观察，其来观察，其能量收支差能量收支差额额应等于有效辐射应等于有效辐射Ji与投入辐射与投入辐射Gi之差，即之差，即（a）（b）有效辐射示意图有效辐射示意图2021/3/1

39、184 石油工程传热学石油工程传热学 从表面从表面i内部观察，内部观察，该表面与外界的辐射换热该表面与外界的辐射换热量应为：量应为：有效辐射示意图有效辐射示意图（c） 联立联立(a)、(c)，消去，消去Gi，得到得到Ji与表面净辐射换热量之与表面净辐射换热量之间的关系间的关系:（8-33）2021/3/1185 石油工程传热学石油工程传热学当发射率当发射率i1或表面积或表面积Ai时，时， 0。由此。由此可见，可见， 是因为是因为表面的发射率不等于表面的发射率不等于1或表面面或表面面积不是无穷大而产生的热阻积不是无穷大而产生的热阻，即由表面的因素产，即由表面的因素产生的热阻，所以称为生的热阻，所

40、以称为表面辐射热阻表面辐射热阻。 将上式变形，得到：将上式变形，得到：（8-34）注意：式中的各个量均是对同一表面而言的，而注意：式中的各个量均是对同一表面而言的，而且以且以向外界的净放热量为正；净吸热量为负向外界的净放热量为正；净吸热量为负。2021/3/1186 石油工程传热学石油工程传热学2 2、空间辐射热阻、空间辐射热阻由灰体表面由灰体表面 i 和和表面表面 j 辐射换热计算式得：辐射换热计算式得： 是灰体表面是灰体表面 i 的有效辐射面积的有效辐射面积Ae,i（AiXi,j）不是无限大而产生的不是无限大而产生的空间辐射热阻空间辐射热阻（或几何热阻）（或几何热阻）2021/3/1187

41、 石油工程传热学石油工程传热学二、两灰表面组成的封闭系统的辐射换热二、两灰表面组成的封闭系统的辐射换热两个物体组成的辐射换热系统两个物体组成的辐射换热系统2021/3/1188 石油工程传热学石油工程传热学下面来分析两个等温漫灰表面封闭系统内的辐射换下面来分析两个等温漫灰表面封闭系统内的辐射换热情况。如图所示，两个表面的净换热量为热情况。如图所示，两个表面的净换热量为根据能量守恒有根据能量守恒有(a)(b)(c)(d)因为因为2021/3/1189 石油工程传热学石油工程传热学将将 (b)(b)、(c)(c)、(d)(d)代入代入(a)(a)得得两封闭表面间的辐射换热网络图两封闭表面间的辐射换

42、热网络图2021/3/1190 石油工程传热学石油工程传热学若以若以 为计算面积，上式可改写为：为计算面积，上式可改写为：定义定义系统黑度系统黑度( (或称为或称为系统发射率系统发射率) )2021/3/1191 石油工程传热学石油工程传热学几种特殊情形几种特殊情形(1)(1) 表面表面1为凸面或平面为凸面或平面(同心圆锥体同心圆锥体)，此时，此时，X1,21，于是，于是(2)(2) 表面积表面积A1与表面积与表面积A2相当且相当且X1,21(平行大平平行大平壁壁)，即，即A1/A2 1 于是于是A A1 1A A2 22021/3/1192 石油工程传热学石油工程传热学(3)(3) 表面积表

43、面积A1比表面积比表面积A2小得多小得多(非凹小物体非凹小物体)，且且X1,21，即即A1/A2 0 于是于是(4)(4)黑体黑体A1A2T1T22021/3/1193 石油工程传热学石油工程传热学例例题题：某某房房间间吊吊装装一一水水银银温温度度计计读读数数为为1515，已已知知温温度度计计头头部部发发射射率率（黑黑度度）为为0.90.9，头头部部与与室室内内空空气气间间的的对对流流换换热热系系数数为为20W/(m20W/(m2 2.K).K)，墙墙表表面面温温度度为为1010，求求该该温温度度计计的的测测量量误误差差。如如何何减减小小测量误差？测量误差？解：解： 由题意可知，这是一个小面积

44、对大面积的辐由题意可知，这是一个小面积对大面积的辐射问题（包容壁面辐射），且辐射换热量与射问题（包容壁面辐射），且辐射换热量与对流换热量遵守能量守恒：对流换热量遵守能量守恒：2021/3/1194 石油工程传热学石油工程传热学 2021/3/1195 石油工程传热学石油工程传热学欲使欲使1,21,2，途径有三，途径有三: : 改变表面温度改变表面温度 改变表面黑度（发射率）改变表面黑度（发射率） 加遮挡板。加遮挡板。三、遮挡板三、遮挡板两个相互靠近无两个相互靠近无限大平行平板限大平行平板2021/3/1196 石油工程传热学石油工程传热学 所所谓谓遮遮热热板板，是是指指插插入入两两个个辐辐射射

45、换换热热表表面面之之间间以以削削弱弱辐辐射射换换热热的的薄薄板板，其其实实插插入入遮遮热热板板相相当当于于降降低低了了表表面面发发射射率率。本本节节主主要要讨讨论论这这种种削削弱弱辐辐射射换换热的方式。热的方式。 遮热板遮热板一般采用薄金属板制成，一般采用薄金属板制成，大大;小小加遮挡板后：加遮挡板后：A1=A2=A3，X1,3=X3,2=X1,2=12021/3/1197 石油工程传热学石油工程传热学显然，显然，有有1层遮挡板时（层遮挡板时（遮挡板左右侧发射率相同遮挡板左右侧发射率相同）：）：遮热板遮热板与没有插入时相比，加遮挡板后增加了与没有插入时相比，加遮挡板后增加了3 3个热个热阻（两

46、个表面辐射热阻，一个空间辐射热阻），阻（两个表面辐射热阻，一个空间辐射热阻），从而使插入后传热量减小。从而使插入后传热量减小。2021/3/1198 石油工程传热学石油工程传热学无遮挡板时无遮挡板时辐射换热网络图辐射换热网络图加遮挡板时加遮挡板时辐射换热网络图辐射换热网络图2021/3/1199 石油工程传热学石油工程传热学由由于于插插入入遮遮挡挡板板后后总总热热阻阻不不变变，无无论论遮遮挡挡板板靠靠近近板板1还是板还是板2，换热量不变，与距离无关。，换热量不变，与距离无关。当当 时，插入时，插入n块发射率相同的遮挡块发射率相同的遮挡板有板有 。实际上遮挡板的发射率远小于两。实际上遮挡板的发射

47、率远小于两板的发射率，降低效果更加明显。板的发射率，降低效果更加明显。 若若遮遮挡挡板板左左右右侧侧发发射射率率不不同同，插插入入遮遮挡挡板板后后，总总热热阻阻不不变变，这这时时改改变变左左右右放放置置位位置置换换热热量量不不变变，但但侧面的温度会不同。侧面的温度会不同。2021/3/11100 石油工程传热学石油工程传热学例例题题：有有一一环环空空管管道道，内内管管外外直直径径为为d1=0.1m，温温度度t1=480，发发射射率率1=0.8，外外管管内内直直径径d2=0.3m，温温度度t2=200，发发射射率率2=0.6，环环空空中中为为透透明明气气体体，为为使使二二管管之之间间的的热热损损

48、失失减减少少一一半半，需需加加一一遮遮挡挡屏屏，此此屏屏的的直直径径为为d3=0.15m。求求遮遮挡挡屏屏的的发发射射率率（假假设设左左右侧面相等）及温度。右侧面相等）及温度。2021/3/11101 石油工程传热学石油工程传热学解：解：加遮挡屏后的辐射网络图为：加遮挡屏后的辐射网络图为：使使则则2021/3/11102 石油工程传热学石油工程传热学2021/3/11103 石油工程传热学石油工程传热学2021/3/11104 石油工程传热学石油工程传热学四、多表面系统辐射换热的计算四、多表面系统辐射换热的计算 这这种种把把辐辐射射热热阻阻比比拟拟成成等等效效的的电电阻阻从从而而通通过过等等效

49、效的的网网络络图图来来求求解解辐辐射射换换热热的的方方法法成成为为辐辐射射换换热的热的网络法网络法。 若若表表面面与与其其他他表表面面未未组组成成封封闭闭系系统统，则则用用假假想表面构成封闭系统。想表面构成封闭系统。 穿穿过过假假想想面面得得辐辐射射能能进进入入周周围围环环境境中中，几几乎乎不不通通过过假假想想面面返返回回系系统统中中，所所以以假假想想面面一一般般被被认认为是环境温度的黑体。为是环境温度的黑体。2021/3/11105 石油工程传热学石油工程传热学 应用网络法求解多表面封闭系统辐射换热问题应用网络法求解多表面封闭系统辐射换热问题的的步骤步骤：（1 1）分析灰体表面是否封闭，否则

50、构成假想面封闭）分析灰体表面是否封闭，否则构成假想面封闭系统；系统；（2 2）分析表面间的辐射换热；）分析表面间的辐射换热；（3 3）画出等效的网络图；）画出等效的网络图；（4 4）根据基尔霍夫定律列出节点的电流方程；）根据基尔霍夫定律列出节点的电流方程；（5 5）求节点方程组；）求节点方程组；（6 6）计算）计算J J及个表面的总辐射传热量。及个表面的总辐射传热量。2021/3/11106 石油工程传热学石油工程传热学 以图（以图（a a）所示的三表面的辐射换热问题为例）所示的三表面的辐射换热问题为例画出图（画出图（b b）的等效网络图）的等效网络图(a)(a)由三个表面组成的封闭系统由三个

51、表面组成的封闭系统(b)(b)三表面封闭腔的等效网络图三表面封闭腔的等效网络图2021/3/11107 石油工程传热学石油工程传热学 由基尔霍夫定律，可以写出以由基尔霍夫定律，可以写出以J1、J2、J3为节点为节点的热流方程：的热流方程：2021/3/11108 石油工程传热学石油工程传热学有一个表面为黑体。有一个表面为黑体。黑体的表面热阻为零黑体的表面热阻为零。其。其网络图网络图黑体情况黑体情况2021/3/11109 石油工程传热学石油工程传热学重辐射面重辐射面( (绝热表面绝热表面) )该表面的净换热量为零。该表面的净换热量为零。表表面面1 1辐辐射射到到绝绝热热面面得得能能量量中中，一一部部分分反反射射，另另一一部部分分被被吸吸收收后后再再辐辐射射出出去去。从从而而改改变变了了能能量量的的分配。分配。能量看：重辐射面可看作白体能量看：重辐射面可看作白体温度看：重辐射面可看作黑体温度看：重辐射面可看作黑体重辐射面重辐射面白体白体重辐射面重辐射面黑体黑体绝热表面绝热表面2021/3/11110 石油工程传热学石油工程传热学本章作业本章作业5-1，5-7 5-8，5-11，5-12 5-13，5-17，5-21，5-232021/3/11111