06 第六章 辐射.pptx

第1页：热辐射及辐射传热

第6章热辐射及辐射传热

第2页：本章例题与作业

思考题

2，13，40，41，37

作业题

6-3，6-6，6-11，6-13，6-14，6-18，6-22，6-25

• 看一下书上例题6-7，6-10

第3页：热辐射是热量传递的三种基本方式之一

• 热辐射是热量传递的三种基本方式之一
• 辐射传热是物体之间以热辐射方式进行热量交换的总的效果——任何温度高于OK的物体，每时每刻都在以热辐射的方式向外界辐射能量——与此同时，物体又在每时每刻接受其它物体以热辐射的方式向它辐射的能量

第4页：辐射传热问题的普遍性

• 辐射传热问题在工程领域和科学研究中普遍存在例如在高温加热和燃烧、红外干燥、红外测试、卫星、航天航空及太阳能利用等领域都占有主导地位对石油工程而言热辐射理论的重要性要低一些

第5页：本章思路

• 本章思路
• 1辐射的基本概念
• 2理想辐射体－黑体
• 黑体的辐射特性
• 黑体间的辐射传热计算
• 3实际物体的辐射
• 实际物体的辐射和吸收特性
• 实际物体（灰体）辐射传热的计算

第6页：本章总

• 本章总说明
• 物体的辐射特性包含发射特性和吸收特性
• 课程中提到的温度包括两个
• 工业高温，小于2000K——红外辐射
• 太阳高温，近6000K——太阳辐射

第7页：热辐射的基本概念

6.1 热辐射的基本概念

6.1.1热辐射

• 辐射——物体向外界以电磁波的方式发射携带能量的粒子的过程
• 宏观－辐射是连续的电磁波传递能量的过程
• 微观－辐射是不连续的光子传递能量的过程
• 电磁波的本质是具有一定能量的光子(粒子)，辐射粒子所携带的能量，称为辐射能

第8页：物质会因受到各种不同方式的作用

热辐射

由于物体内部热运动状态的改变而将部分内能转化成电磁波而发射出去的过程；或者说，辐射能是由与温度有关的内能转化而来的

• 物质会因受到各种不同方式的作用（激励）而发射电磁波
• 能够发射热辐射是自然界中物体的特性之一
• 在传热学中只研究热辐射

第9页：电磁波通常是以波长或频率来识别

• 电磁波通常是以波长或频率来识别的
• 起因不同，波长不同、名称不同

第10页：波长不同

波长在1mm－1m的电磁波

微波，能穿透塑料、陶瓷和玻璃等，但会被水等极性分子吸收而产生内热源——微波炉的原理

热辐射中发出的电磁波通常

热射线，本质上也是电磁波

• 波长不同，特性不同
• 短波的γ射线、X射线等，高能物理学家和核工程师更感兴趣
• 波长大于1米的电磁波主要用于无线电技术中

第11页：工业温度范围（2000K）内

• 工业温度范围（2000K）内，有实际意义的热辐射位于0.8～100μm之间，且大部分能量集中在红外区段0.76～20μm范围内，可见光区域（0.38～0.76μm）所占比重不大——红外辐射
• 太阳辐射（温度约为5800K）能量集中在0.2－2μm的波长范围，其中可见光区段占很大比重——可见光辐射

第12页：热射线

• 热射线——由于热的原因而产生的、波长介于为0.1～100μm的电磁波
• 热射线特点
• 具有电磁波的一般共性，能够以光速传播
• 电磁波的直线传播、投射、反射、折射等也都适用于热射线
• 投射到其他物体表面后能引起明显的热效应

第13页：6.1.2 辐射传热

6.1.2 辐射传热

伴随着能量形式的转换

内能－辐射能－内能

• 不直接接触的物体之间，由于各自辐射和吸收的综合结果所产生的热量传递现象称为辐射换热
• 辐射换热特点
• 物体间不需要其他介质存在，真空中效率最高

第14页：辐射力与辐射强度

6.1.3 辐射力与辐射强度

• ／辐射力
• 辐射力——物体在单位时间内、单位表面积向其上的半球空间的所有方向辐射出去的全部波长（0～∞波长范围内）的能量
• 用“E”表示，W/m2
• 辐射力表述了物体在一定温度下发射辐射能本领的大小
• 强调的是半球空间，尽其所能

第15页：任意微元表面都将整个空间划

• 任意微元表面都将整个空间划分为对称的两部分：表面之上与表面之下
• 每一部分都对应着半球空间
• 微元表面向其上的半球空间发射辐射能
• 微元表面也接受来自该半球空间的辐射能

第16页：光谱辐射力

• 光谱辐射力——物体在单位时间内、单位表面积向其周围半球空间各个方向发射的某一特定波长的能量

第17页：定向辐射强度

光谱特性

辐射的强弱随波长而变化，通过光谱辐射力来描述

方向特性

表面在不同方向上辐射能力是有差别的，如何衡量发射辐射在空间上的差别呢？

• 定向辐射强度
• 热辐射研究的复杂性有两个方面
• 引入定向辐射强度的概念

第18页：几何上

• 几何上，“角”反映了在空间某一方向所占区域的大小
• 平面几何中，用平面角表示在平面上所占区域的大小
• 单位“弧度”

第19页：类似地

• 类似地，为了表示物体在三维空间中某一方向所占空间的大小，引入“立体角”的概念

第20页：立体角（solid angle）

立体角（solid angle）

球面面积As与球面半径r2之比

• 单位：sr

第21页：辐射通常用到半球空间

• 辐射通常用到半球空间，半球空间的几何方位用球坐标系更方便
• 用φ表示经度角（azimuthal angle）
• 用θ表示纬度角（latitudinal angle）

第22页：微元立体角与半球空间几何参数间的关系

微元立体角与半球空间几何参数间的关系

第23页：微元立体角

• 微元立体角，与半径无关
• 半球空间的立体角为2π sr
• 引入立体角的目的是衡量表面辐射的方向特性
• 表面在半球空间辐射的能量按不同方向分布的规律只有对不同方位中相同的立体角来比较才有意义

第24页：

第25页：空间方位不同

• 空间方位不同，可以见到的辐射面积是不同的
• 表面的法线方向最大
• 切线方向最小，为零
• 表面在半球空间辐射的能量按不同方向分布的规律只有在相同的辐射面积下来比较才有意义

第26页：可见（有效）辐射面积

可见（有效）辐射面积——

从空间某个方位所见到的表面有效面积

第27页：定向辐射（强）度

• 定向辐射（强）度——单位时间内，单位可见辐射面积向空间某一方向的单位立体角内发出的总辐射能（发射＋反射）
• 用Lp表示，单位是W/(m2.sr)

第28页：反映了物体向空间不同方向发射辐射能的强度

• 反映了物体向空间不同方向发射辐射能的强度
• 因定向辐射强度永远和空间特定方向联系在一起，可省略“定向”二字

第29页：理想辐射体与物体对投射辐射的反应

6.1.4 理想辐射体与物体对投射辐射的反应

• 热辐射能投射到物体表面的反射现象和可见光一样，也有镜面反射和漫反射之分
• 取决于表面的粗糙程度——相对于热辐射的波长而言
• 物体表面比较光滑，粗糙度很小，即表面的不平整尺寸小于投入辐射的波长时，将呈现镜面反射，此时入射角等于反射角，高度磨光的金属板是镜面反射的实例6.1.4理想辐射体／物体对投射辐射的反应

第30页：镜面反射漫反射

镜面反射漫反射

第31页：物体对投射辐射的反应

物体对投射辐射的反应

吸收、反射和穿透根据能量守恒

• 投射辐射－单位时间内其他物体投射到物体单位面积上的辐射能，G－W／m2

第32页：反射比（Reflectivity）

• 反射比（Reflectivity）－反射辐射占投射来的份额，表示物体反射投射辐射能力的大小
• 吸收比（Absorptivity）－反映了物体吸收辐射能能力的大小
• 透射比（Transmissivity）—反映了物体透过辐射能能力的大小

第33页：反射比吸收比透射比

反射比吸收比透射比

第34页：如果投入辐射是某一波长λ的辐射能Gλ

• 如果投入辐射是某一波长λ的辐射能Gλ，其中被物体吸收、反射和透射的部分分别为Gαλ、Gρλ和Gτλ，所占的份额分别为光谱吸收比光谱反射比光谱透射比

第35页：吸收比、反射比和透射比属于物体的辐射特性

• 吸收比、反射比和透射比属于物体的辐射特性，取决于物体的种类、温度和表面状况，一般是波长的函数

第36页：理想辐射体与物体对投射辐

说明1

绝大多数固体和液体是不透明的

• 因为辐射能进入固体和液体表面后，在极短的距离内就被吸收完
• 例如对金属导体，这个距离只有1μm的数量级，对于大多数的非导电材料，这个距离也小于1mm

第37页：固体或液体表面性质对其反射、吸收影响大

• 固体或液体表面性质对其反射、吸收影响大
• 对固体和液体，吸收能力大的物体，反射能力就小；或者说善于吸收的物体就不善于反射

第38页：理想辐射体与物体对投射辐

说明2

气体对投射辐射几乎没有反射能力

• 吸收性大的气体，穿透性就差
• 气体的吸收和透射与表面状况无关，是在整个气体容积上进行的，具有体积效应
• 某些气体（空气）

第39页：理想辐射体与物体对投射辐

说明3

几个理想辐射体的物体称为黑体的物体称为透明体的物体称为白体或镜体

• 理想辐射体的作用——作为研究实际物体辐射的参照

第40页：黑体与黑体模型

6.2.1 黑体与黑体模型

吸收特性

α= 1，黑体具有最大的吸收能力，对投射辐射毫无选择地百分之百的吸收

• 6-2黑体辐射的基本定律
• 2.1黑体与黑体模型
• 将吸收比α= 1的物体称为黑体
• 自然界中并不存在真正意义上的黑体
• 人工黑体－开小孔的空腔

第41页：人工黑体模型

• 人工黑体模型
• 人工黑体－带小孔的空腔
• 当辐射能从小孔进入空腔时
• 经过多次吸收和反射
• 反射一次就吸收一次而每吸收一次，使反射的能量减少
• 最终能够通过小孔离开的能量就近乎于零，认为辐射能被全部吸收

第42页：小孔面积与空腔内表面积之比越小

• 小孔面积与空腔内表面积之比越小，小孔就越接近于黑体
• 例如若小孔面积占空腔内壁的总面积的0.6%时，在内壁面吸收比为0.6的情况下，小孔的能量吸收（表观吸收比）可达0.996
• 白天的窗户

第43页：黑体辐射的基本规律

6.2.2 黑体辐射的基本规律

• 对黑体，在所有符号下加下标“b”来表示其相应的参数
• 1普朗克定律（Planck’s law）
• 反映了黑体光谱辐射力随温度、波长的变化规律光谱辐射力——物体在单位时间内、单位表面积向其周围半球空间各个方向发射的某一特定波长的能量

第44页：黑体辐射的基本规律

• 式中，λ—波长，m；T—黑体温度，K；c1—第一辐射常数，3.742×10-16W·m2；c2—第二辐射常数，1.4388×10-2W·K；Planck基于量子理论得到了黑体的光谱辐射力与波长的关系

第45页：黑体辐射的波谱是连续

• 黑体辐射的波谱是连续的
• 温度越高，黑体的辐射能力越强

第46页：黑体辐射的波段特性

黑体辐射的波段特性

大部分能量集中在某一波段

第47页：黑体辐射不是按波长平均分布

• 黑体辐射不是按波长平均分布的，存在着最大的光谱辐射力

第48页：维恩位移定律

• 维恩位移定律（Wien’s displacement law）
• 维恩在1896年用经典热力学方法确定了最大光谱辐射力所对应的波长和温度之间的关系

第49页：铁块升温的颜色变化

• 加热炉中铁块升温过程中颜色的变化也能体现黑体辐射的特点：当铁块的温度低于800K时，所发射的热辐射主要是红外线，人的眼睛感受不到，看起来还是暗黑色的。随着温度的升高，铁块的颜色逐渐变为暗红色、鲜红色、橘黄色、亮白色，这是由于随着温度的升高，铁块发射的热辐射中可见光的比例逐渐增大的缘故。

第50页：3斯蒂芬-玻尔兹曼定律

• 3斯蒂芬-玻尔兹曼定律（stefan—Boltzman）
• σb=5.67×10-8W/(m2.K4)—斯蒂芬-玻尔兹曼常数，黑体辐射常数
• 黑体的辐射力与绝对温度的四次方成正比，故又称四次方定律。该定律解决了黑体辐射力的计算
• 1879年斯蒂芬依靠实验、1884年玻尔兹曼由热力学方法推导

第51页：波耳茨曼出生于1844年2月20日

• 波耳茨曼出生于1844年2月20日，是奥地利科学家。1866年，波耳茨曼在维也纳获得博士学位，之后，他给他导师斯忒藩担任助理。1884年波耳茨曼从理论上证明黑体表面辐射率定律。

第52页：计算中的实用形式

计算中的实用形式

Cb=5.67——黑体辐射系数

第53页：4兰贝特定律

• 4兰贝特定律（Lambert's Law）
• 黑体表面定向辐射度为常数，Lb=Const
• 黑体表面是漫发射表面，辐射强度与空间方位无关

第54页：黑体的波段辐射力

定义

黑体在某一波段范围内发射辐射能的能力称为波段辐射力

• 黑体的波段辐射力

第55页：为便于工程计算

• 为便于工程计算，引入黑体辐射函数

第56页：黑体辐射函数表

• 黑体辐射函数是λT的单值函数，并被制成表格查阅，称为黑体辐射函数表Fb(0-λ)/ %λT/ (μm·K)Fb(0-λ)/ %λT/ (μm·K)77.6680.8383.4685.6487.4789.0790.3291.4394.5196.2997.3898.0898.5698.896500700075008000850090009500100001200014000160001800020000220001.03230.09160.2140.4340.7821.2901.9792.8623.9465.2256.69010.1114.0518.3410001100120013001400150016001700180019002000220024002600

第57页：波段辐射力的计算

波段辐射力的计算

第58页：例：试分别计算温度

• 例：试分别计算温度为300K、1000K、3000K和5762K的黑体的最大光谱辐射力所对应的波长以及可见光和红外辐射所占的比例（0.76-40微米）解：直接应用维恩位移定律求出各温度下的最大光谱辐射力所对应的波长T=5762K时

第59页：可见光

可见光

[0.38-0.76]微米红外辐射：[0.76-40]微米

第60页：黑体辐射函数表

• Fb(0-λ)/ %λT/ (μm·K)Fb(0-λ)/ %λT/ (μm·K)77.6680.8383.4685.6487.4789.0790.3291.4394.5196.2997.3898.0898.5698.896500700075008000850090009500100001200014000160001800020000220001.03230.09160.2140.4340.7821.2901.9792.8623.9465.2256.69010.1114.0518.3410001100120013001400150016001700180019002000220024002600

第61页：查黑体辐射函数表得

• 查黑体辐射函数表得，可见光波段的辐射能量比例为：0.5458-0.09932=0.44650.76-40微米的红外波段的比例为：1.0-0.5458=0.4542

第62页：维恩位移定律数据表

• 76-400.38-0.76λmaxT0.45420.8830.9980.9450.44650.11545000.50.9662.8989.665762K3000K1000K300K（1）5762K是太阳表面温度，可视为黑体可见光的能量占总辐射能的约45%，40微米以内的红外辐射也占45％（2）3000K大致是白炽灯灯丝的工作温度可见光所占的份额仅12％，大部分电能以热量的形式损失掉了

第63页：维恩位移定律数据表

• 76-400.38-0.76λmaxT0.45420.8830.9980.9450.44650.11545000.50.9662.8989.665762K3000K1000K300K（3）物体被加热到1000K时，发射光谱中无可见光，几乎全是红外辐射能量，此时金属材料物体稍显暗红色状态（4）常温300K时物体更不能有可见光，40微米以内的红外辐射能的比例也低于1000K物体的，原因是有一部分能量在40微米以上

第64页：6-3黑体表面间的辐射换热

• 6-3黑体表面间的辐射换热
• 了解了黑体的辐射规律之后，需要对黑体表面间的辐射换热进行计算
• 首先看两个表面间的辐射传热的计算

第65页：两个黑体表面间的辐射传热

6.3.1 两个黑体表面间的辐射传热

• 任意放置的两个黑体表面:
• 面积－A1、A2
• 温度－T1、T2
• 如何计算它们的传热量？

第66页：表面1发出的辐射能－Eb1A

• 表面1发出的辐射能－Eb1A1
• 表面2发出的辐射能－Eb2A2
• 二者相减是不是它们之间的换热量？
• 为什么？

第67页：表面相对位置不同

• 在表面面积、温度确定的条件下，表面1发出的辐射能未必全部落到表面2上，同样表面2发出的辐射能未必全部落到表面1上
• 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

第68页：两种极端的情形

两种极端的情形

第69页：大多数情况是介于二者之间的情形

• 大多数情况是介于二者之间的情形
• 要计算两个表面之间的净换热量，必须知道表面1发出的辐射能落到2上部分，表面2发出的辐射能落到1中的部分

第70页：角系数

角系数

离开某一表面1的辐射能落到另一表面2上的份额，称为表面1对表面2的角系数

• 角系数
• 以X1,2表示，其中1表示发射辐射能的表面，2表示接受辐射能的表面
• 同样可定义X2,1

第71页：从表面1发出的并落到表面2的辐射能

• 从表面1发出的并落到表面2的辐射能为
• 从表面2发出的并投落到表面1的辐射能为两个表面以辐射的方式交换的热量为角系数怎么得到？

第72页：角系数及性质

6.3.2 角系数及性质

角系数的英文是

Angle factor, View factor,radiation shape factor

• 1角系数的定义式

第73页：根据角系数和定向辐射强度的定义

• 根据角系数和定向辐射强度的定义，并利用兰贝特定律

第74页：2角系数的性质

角系数纯是几何因子——条件

漫射表面、表面温度均匀（不均匀应看成不同表面）

• 2角系数的性质
• 取决于两个物体表面的几何形状、大小和相对位置
• 与物体的种类、温度、表面状况均没有关系，也与物体表面是否为黑体表面无关

第75页：有限性

• 有限性
• 互换性原理（相对性）-Reciprocity

第76页：完整性

• 完整性
• 任何物体都与其它所有参与辐射换热的物体构成一个封闭空腔，表面发出的辐射能百分之百地落在封闭空腔的各个表面之上

第77页：可加性

• 可加性
• 实质上是辐射能的可加性，体现了能量守恒此式成立否？

第78页：角系数可加性的限制

• 此式不成立！直接的可加性只针对角系数的第二个角码对第一个角码实施可加性时需要考虑各自的面积

第79页：3角系数的计算

角系数的确定方法有多种,有

直接积分法、查曲线法、代数法等

• 3角系数的计算
• 直接积分法
• 按角系数定义通过求解多重积分而获得角系数的方法四重积分，数学上存在困难！

第80页：代数分析法

• 代数分析法
• 利用角系数的定义及性质,通过代数运算确定角系数的方法
• 互换性
• 完整性

第81页：由三个非凹表面组成的封闭系统

• 由三个非凹表面组成的封闭系统，在垂直于纸面方向上为无限长，忽略端部效应非凹表面根据角系数的完整性根据角系数的互换性

第82页：

第83页：两非凹表面间的角系数

• 由两个在垂直于纸面方向无限长的非凹表面1、2,横断面的线段长度分别为ab、cd作辅助面ac、bd，由完整性作辅助面bc构造封闭空腔abc作辅助面bd构造封闭空腔abd

第84页：这种确定角系数的方法称为交叉线法

这种确定角系数的方法

交叉线法

第85页：几种特殊几何关系的角系数

• 几种特殊几何关系的角系数
• 平行放置、相距很近的两个大平板－忽略边缘效应
• 凸表面1被另一黑体凹表面2包围，教桌表面与整个房间壁面间、一个小球置于另一个球壳之内、长的同（偏心）心套筒的内筒的外表面和外筒的内表面之间

第86页：查图法

• 查图法——为便于工程应用，已将大量几何结构的角系数求解结果绘制成曲线注意：曲线适用的几何形状上的特点和要求——可查阅传热学手册、辐射传热手册

第87页：

第88页：

第89页：

第90页：黑体辐射换热的计算

6.3.3 黑体辐射换热的计算

• 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

第91页：辐射换热的电路类比

• 写成电学中欧姆定律表达式的形式相当于电阻,称为空间辐射热阻

第92页：辐射传热计算中涉及到两个热量

• 辐射传热计算中涉及到两个热量
• 两个表面之间的换热量
• 某个表面的净损失（得到）的热量
• 这两个热量一样吗？
• 如果只有两个黑体表面之间辐射传热，表面间的热流量既是表面1净损失的热量，也是表面2净获得的热量

第93页：对任意位置的两个表面

• 对任意位置的两个表面，二者未必相等
• 表面间的换热量未必是表面1净损失的辐射能量或表面2净获得的辐射能量——为什么？
• 表面还可能与其他表面进行辐射传热
• 为了计算某个表面净损失或得到的能量，必须要将该表面发射的辐射能所能落到的表面、其它表面发射的辐射能落到该表面上的能量都考虑进去
• 为此必须将相关的表面都考虑进来，构成封闭腔

第94页：封闭腔

• 封闭腔——必须把由空间各个方向投射到该表面的辐射能包括进去
• 辐射换热封闭腔内的表面可以是物理上真实的，也可以是虚拟的
• 其中任意一个表面的净辐射热流量为

第95页：实际物体辐射的基本规律

6.4 实际物体辐射的基本规律

4.1实际表面辐射的发射特性

• 1实际表面辐射的波长特性
• 2实际物体的辐射力
• 3实际表面辐射的方向特性
• 4.2实际表面辐射的吸收特性
• 4.3灰体
• 4.4基尔霍夫定律

第96页：实际表面辐射的发射特性

6.4.1 实际表面辐射的发射特性

• 1实际表面辐射的波长特性黑体辐射的波长特性－Planck定律

第97页：实际物体

定性上类似于普朗克定律

连续,但不光滑、不规则

• 实际物体
• λ→0或λ→∞，Eλ→0

第98页：实际物体

• 实际物体
• 存在Eλmax，但与黑体并不对应
• 总是位于黑体曲线的下方

第99页：光谱发射率、单色黑度

• 光谱发射率、单色黑度
• 实际物体的光谱辐射力与相同温度下、相同波长黑体的光谱辐射力之比实际物体的光谱辐射力

第100页：实际物体的光谱发射率

• 实际物体的光谱发射率随波长的变化也不规则

第101页：2实际物体的辐射力

• 2实际物体的辐射力
• 发射率、黑度，全黑度、全辐射率
• 发射率和光谱发射率均为小于1的正数
• 表示实际物体发射辐射能的能力接近黑体的程度，提供了比较的标准

第102页：实际物体的辐射力

• 实际物体的辐射力
• 与温度的不成四次方关系，偏差归到发射率中
• 发射率都是温度的函数

第103页：发射率是温度的函数

发射率是温度的函数

第104页：发射率是材料的物性参数

手册中

法向发射率关于发射率

• 发射率是材料的物性参数
• 查手册取得

第105页：发射率的影响因素

• 发射率的影响因素
• 物体表面温度

第106页：发射率的影响因素

• 发射率的影响因素
• 物质的种类，特别是表面及最外层的材料种类
• 一般来说，金属的发射率较小，而非金属的发射率较大
• 如38℃下无光泽的铜的发射率为0.22，镀锌铁皮的发射率为0.23。

第107页：金属的发射率较小

• 金属的发射率较小，而非金属的发射率较大
• 大部分非金属材料的发射率都很高，一般在0.85～0.95之间——各色油漆的发射率介于0.92-0.96之间，抹灰墙的发射率为0.94
• 非金属材料的表面状况（包括颜色）对发射率的影响不大，缺乏资料时，可近似取作0.75-0.95

第108页：表面状况—表面的氧化及加工状况

• 表面状况—表面的氧化及加工状况
• 表面的粗糙化和氧化层的形成，将使黑度明显增加
• 例如，在常温38℃下的黄铜表面
• 粗糙的黄铜的黑度为0.74
• 无光泽的黄铜的为0.22
• 稍加磨光的黄铜为0.12
• 抛光的黄铜黑度只有0.05左右
• 严重氧化的可达0.9

第109页：

第110页：

第111页：3实际表面辐射的方向特性

• 3实际表面辐射的方向特性
• 黑体辐射
• 兰贝特定律，定向辐射强度与方向无关
• 实际物体则不然，不满足兰贝特定律＊定向发射率，定向黑度注意：实际物体的定向辐射强度完全是自身发射的辐射能，不包括投射辐射后反射的部分

第112页：实际物体

• 实际物体并不是理想的漫射表面定向发射率在空间的不同方向是不同的

第113页：非导体—大体在

• 非导体—大体在70。内近似为常数；超过70。以后，急速减少直至等于零。

第114页：导体—低于

• 导体—低于40。～50。，近似为常数；超出此范围，先快速增大，最后衰减为零

第115页：半球向总发射率与法向发射率的比值相差不多

• 半球向总发射率与法向发射率的比值相差不多
• 导体——不会超过1.0～l.3
• 非导体——介于0.93—1.0
• 鉴于此——对绝大多数实际工程材料来说，近似地认为服从兰贝特定律，即实际材料也近似看作漫射表面

第116页：实际表面辐射的吸收特性

6.4.2 实际表面辐射的吸收特性

• 光谱吸收比—实际物体对某一特定波长的辐射能吸收的百分比，记为
• 总吸收比—表面对全部波长范围内的投射辐射的吸收率，记为

第117页：波长相同

• 波长相同，不同材料的吸收比不同—与吸收表面有关相同材料，波长不同吸收比不同—物体的吸收具有选择性
• 大自然的五彩缤纷的色彩
• 焊接工人所带的墨镜

第118页：

第119页：影响因素（1）吸收表面情况

• 影响因素（1）吸收表面情况—包括吸收表面的温度、表面状况（如颜色、粗糙度、氧化情况等）——自身有关（2）投射辐射源—投射辐射源的温度、表面状况、方位等——外界环境——增加了问题研究的困难

第120页：冬不穿白、夏不穿黑

• 说明
• 表面颜色对不同的投射辐射的影响是不同的
• 对太阳辐射来说，物体表面的颜色是影响物体吸收的重要因素
• 白漆的吸收比为0.12，黑漆的吸收比为0.96
• 冬不穿白、夏不穿黑
• 对红外辐射而言，表面颜色对吸收的影响很小
• 白漆和黑漆的吸收比几乎相同0.9
• 雪对红外辐射的吸收比可达到0.98

第121页：基尔霍夫定律

6.4.3 基尔霍夫定律

物体的辐射特性

吸收特性、发射特性问题——同一表面的这两种性质有无联系？黑体：发射率——反映物体发射辐射能能力大小吸收比——反映物体吸收辐射能能力大小实际物体是否也有这样的关系呢？

第122页：两平行平板间的辐射传热

• 简单情形分析－两平行平板间的辐射传热板2净损失的能量为板1是黑体板2是实际物体

第123页：两板处于热力学平衡状态基尔霍夫定律

两板处于热力学平衡状态基尔霍夫定律

第124页：基尔霍夫定律的表述

• 基尔霍夫定律的表述
• 热平衡条件下，物体的辐射力与其吸收比的比值等于相同温度下黑体辐射力
• 热平衡条件下，物体的发射率（黑度）等于它的吸收比

第125页：基尔霍夫定律的两条有用的结论

• 基尔霍夫定律的两条有用的结论
• 在一定的温度下，物体的辐射力越大，吸收比也越大。换句话说，善于辐射的物体必善于吸收，反之亦然
• 实际物体的吸收比低于1，也就是在相同温度下黑体的辐射力最大

第126页：对半球向全波长辐射和吸收的基尔霍夫定律

• 对半球向全波长辐射和吸收的基尔霍夫定律
• 适用条件
• 两个物体必须处于热平衡条件
• 实际物体接收的投射辐射必须来自黑体条件非常苛刻！基尔霍夫定律的结论是很有吸引力的

第127页：对漫射表面的半球向光谱辐射和吸收

• 对漫射表面的半球向光谱辐射和吸收，重复上述推导过程可以得到针对半球向光谱特性的基尔霍夫定律此时，保持板2的温度不变，如果投射辐射不是来自黑体、系统也不处于热平衡，它成立吗？对漫射表面，此式无条件成立

第128页：6.4.4 灰体

6.4.4 灰体

• 灰体——光谱吸收率与波长无关的物体对由黑体和灰体组成的辐射换热系统在热平衡的条件下重复推导过程

第129页：请思考

请思考

若保持灰体自身温度不变而改变灰体的环境，使其所受的辐射不是来自同温度下的黑体辐射，而是来自任意温度的其他物体，这时上式还成立吗？（换句话说：是否一定要热平衡？一定要来自黑体辐射？）

第130页：答案是肯定

这两个常数只和自身有关对灰体表面

始终有吸收率等于发射率的结论对辐射换热条件下吸收比的确定带来实质性的简化，其重要性是不容低估的

• 答案是肯定的
• 首先按灰体的定义其吸收比与波长无关，在一定温度下为常数，不再与环境有关
• 其次物体的发射率是物性参数，与环境条件无关，自身温度一定时为常数

第131页：灰体表面也是一个理想化表面

• 灰体表面也是一个理想化表面
• 问题
• 什么样的表面可以看成是灰体表面呢？
• 一般工程中的实际物体是否可以近似当作灰体来对待？
• 在一般的辐射换热计算所涉及到的工业高温范围以内，绝大部分物体的辐射能量都位于红外波段，大多数工程材料在红外波段中的光谱吸收比基本上等于常数，可看作是灰体

第132页：Attention

• Attention
• 不能把该结论任意地扩展到包括可见光在内的全波段范围内
• 本课程只讨论漫灰表面

第133页：灰体表面间的辐射换热

6.5 灰体表面间的辐射换热

• 漫射灰体表面，表面的物性参数为常数表面上的温度均匀分布表面间充满了不参与辐射的透明介质基本假设：辐射传热过程是稳定的

第134页：投射辐射和有效辐射

6.5.1 投射辐射和有效辐射

• 使灰体表面存在“多次反射、多次吸收”现象

第135页：多次反射

• 多次反射、多次吸收增加了灰体间辐射换热计算的复杂性

第136页：有效辐射

• 有效辐射
• 定义－单位时间内离开单位表面积的总辐射能
• 记为J，单位为W/m2

第137页：有效辐射表示

• 有效辐射表示的是表面的辐射能总效应包括两部分：——表面自身的辐射能——投入辐射中被表面反射的部分能量唯一知道的是有这么多能量是离开该表面的有效辐射是在灰体表面外用测试仪表测量到的能量，但作为测量者本身无法辨别哪一部分能量是本身辐射哪一部分是反射辐射

第138页：投射辐射

• 投射辐射
• 单位时间内投射到单位表面积上的辐射能，称为投射辐射(irradiation)
• 记为G，单位为W/m2
• 也是一种总效应
• 物体周围的各物体发射的辐射能落到其表面的部分
• 自身发出的辐射能被其他物体反射后落回到该表面的部分

第139页：有效辐射和投射辐射间的关系黑体

有效辐射和投射辐射间的关系黑体

有效辐射就是其本身的辐射力

第140页：辐射传热的表面热阻和空间热阻

6.5.2 辐射传热的表面热阻和空间热阻

辐射传热关心的问题之一

——如何计算某灰表面的净辐射能量呢？表面的净辐射能量是表面在单位时间内支出和收入的辐射能差额

第141页：表面辐射热阻的推导

• 从表面外部来观察从表面内部观察消去G后得到

第142页：类似于欧姆定律

• 类似于欧姆定律，满足势差、阻力和流的关系

第143页：辐射传热的表面热阻表示发射率

• 辐射传热的表面热阻表示发射率不为1或表面积A不是无限大时而产生的热阻，与物体自身表面的因素有关，所以称为表面热阻辐射传热的表面热阻单元网络

第144页：辐射传热关心的问题之二

辐射传热关心的问题之二

——如何计算两个灰体表面间的辐射传热呢？不同之处：离开灰体表面的辐射能是有效辐射相似之处：要分别计算出离开每个表面的辐射能中落到另一个表面上的数量角系数概念适用和分析两个黑体表面间辐射传热的比较

第145页：两个任意放置的灰表面间的辐射传热量

• 两个任意放置的灰表面间的辐射传热量为：类似于欧姆定律，满足势差、阻力和流的关系

第146页：辐射传热的空间热阻

• 辐射传热的空间热阻辐射传热的空间热阻单元网络

第147页：两个灰体表面间的辐射传热

6.5.3 两个灰体表面间的辐射传热

• 这里的两个灰体表面间的辐射传热
• 两个表面构成的封闭系统
• 只有二者之间交换能量

第148页：对每一表面

• 对每一表面而言对两个表面整体而言三个热量之间满足如下关系

第149页：三式联立消去J

• 三式联立消去J1、J2可得两个灰表面之间辐射传热的基本计算式，适用条件：（1）漫灰表面；（2）两个表面构成的封闭系统！！当两个灰体表面相互辐射传热时——表面不是黑体表面，各自存在着表面热阻——因空间关系存在着空间热阻——三个热阻之间是串联的关系

第150页：两灰体表面间的辐射热阻

• 当两个灰体表面相互辐射传热时将辐射热阻比拟成等效电阻从而通过等效的网络图来求解辐射传热问题的方法称为辐射传热的网络法节点电势电源电动势

第151页：两表面间辐射换热的特例

• 两表面间辐射换热的特例
• 两个相距很近的大平板

第152页：凸表面1被凹表面2包围

• 凸表面1被凹表面2包围
• 特别地
• 例如大房间内的物体，如热水管线，气体容器内或管线内的测温
• 注意表面1、2的标记

第153页：多个表面组成封闭系统的辐射换热

6.5.4 多个表面组成封闭系统的辐射换热

由两个表面构成的封闭系统

其中一个表面的净损失或净得到热量，实际上就是两个表面间的辐射换热量

• 对由三个或三个以上的表面构成的封闭的辐射换热系统：情况就不是如此—某表面的净辐射能量是它与其他所有表面能量交换的综合结果
• 为此必须构造封闭系统

第154页：由n个表面构成的封闭系统

由n个表面构成的封闭系统

第155页：

第156页：封闭系统内的任一表面i有如下的能量平衡式

封闭系统内的任一表面i有如下的能量平衡式

第157页：计算各表面之间的换热量

• 计算各表面之间的换热量
• 计算各表面的净辐射热量计算的关键是确定有效辐射J有效辐射J通常是未知的，如何计算有效辐射？计算多个灰体间辐射换热的方法很多，这里仅介绍辐射网络法——工程常用

第158页：网络模拟法—又称热网络法

• 网络模拟法—又称热网络法，电网络法等基本原理－用电学中的电流、电位差和电阻比拟热辐射中的热流、热势差与热阻，用电路来比拟辐射热流的传递路径
• 适用条件－漫灰面、等温、物性均匀以及投射辐射均匀等四个条件
• 以三个表面的辐射传热为例

第159页：

第160页：以三个表面为例说明网络模拟法的过程

以三个表面为例说明网络模拟法的过程

第161页：绘制出辐射传热系统的等效网络图

• 绘制出辐射传热系统的等效网络图
• 每个表面都对应着一个节点
• 每个表面都对应着一段表面热阻单元网络（包括电源电动势、表面辐射热阻和节点电势）
• 每两个表面（节点）之间对应着一段空间热阻单元网络（包括两个节点电势和空间辐射热阻）

第162页：绘制出辐射换热网络图

绘制出辐射换热网络图

第163页：列出与系统中换热面个数相同的节点有效辐射

根据电学中的基尔霍夫定律

流入每个节点的电流的代数和为零

• 列出与系统中换热面个数相同的节点有效辐射方程
• 将辐射传热等效网络图看成是直流电路图
• 共3个节点

第164页：节点方程

• 节点方程：节点1

第165页：多个表面组成封闭系统的辐

• 节点2：节点3

第166页：多个表面组成封闭系统的辐

节点1

节点2：节点3：线性代数方程组

第167页：求解线性代数方程

• 求解线性代数方程，得到J1、J2和J3
• 辐射换热的计算——各个表面的净热损失和净辐射换热量

第168页：各表面间的净交换的热量

• 各表面间的净交换的热量为各表面的净损失热量前提：必须构成封闭空腔

第169页：特例1－有黑体表面的情况

• 特例1－有黑体表面的情况
• 若有黑体表面，则表面热阻为零，有效辐射等与其本身的辐射。这样，节点方程的数目将减少一个

第170页：特例2－有表面积很大的情况

• 特例2－有表面积很大的情况
• 当表面3的面积远远大于其余表面的面积时，可以忽略其表面热阻

第171页：特例3－有绝热面的情况

工程中隔热、保温良好的表面

绝热面，如各种加热炉、工业窑炉等的炉墙

• 特例3－有绝热面的情况
• 绝热面的特点是在换热过程中没有净的热量得失有效辐射等于某一温度下的黑体辐射，可以不必画出其表面热阻单元网络

第172页：

第173页：对重辐射面

• 对重辐射面
• 重辐射面将投射过来的辐射能全部反射出去虽然重辐射面没有净的能量得失，但对整个系统的换热产生了明显的影响，为J1和J2之间的辐射传热提供了另一条并联途径

第174页：虽然重辐射面没有净的能量得失

• 虽然重辐射面没有净的能量得失，但对整个系统的换热产生了明显的影响，为J1和J2之间的辐射传热提供了另一条并联途径

第175页：6.5.5 遮热板

6.5.5 遮热板

• （radiation shield）－将插入在两个辐射传热面之间用以削弱辐射传热的薄板
• 作用－不起加入或移走热量的作用，它是通过增加过程的总辐射热阻而达到减小辐射换热量的目的
• 以两平行大平板间辐射传热为例说明遮热板的原理6.5.5遮热板

第176页：

第177页：插入遮热板

• 插入遮热板3，发射率为ε3
• 稳态时，有

第178页：

第179页：插入遮热板前

插入遮热板前

插入遮热板后

第180页：插入前

• 为了比较遮热板的遮热效果，再分析一种简单的情形
• 插入前

第181页：插入前

• 插入前
• 插入后

第182页：板数越多

例题6-9

重点在对流和辐射换热的热平衡方程

• 可以证明在T1、T2保持不变的情况下，插入n块表面发射率相同的遮热板时，换热量可减少到无遮热板时的
• 板数越多，虽然总换热量能够降低得越多，但每一块板所起的效果将是越来越差。
• 所以对遮热板的数量和每块板的遮热效应之间，尚需考虑经济性问题，并非越多越好。

第183页：相关思考题

思考题

2，13，40，41，37

作业题

6-3，6-6，6-11，6-13，6-14，6-18，6-22，6-25

• 看一下书上例题6-7，6-10