3.4热辐射 (2)Word

　　热辐射

　　第三章 传热学 第一节

　　第二节 第三节 第四节 第五节2016/3/28

　　概述 热传导 对流传热 热辐射 传热过程与换热器1

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　　第三章 传热学第四节 热辐射

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　　第三章 传热学—第四节 热辐射4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 2016/3/28

　　热辐射的基本概念 黑体辐射的基本定律 实际固体和液体的辐射特性 实际固体的吸收比和基尔霍夫定律 角系数的定义、性质及计算 两固体表面间的辐射换热 辐射换热的强化与削弱 气体辐射3

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　　4.1 热辐射的基本概念1.定义： 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。 2.特点 a 任何物体只要温度高于0 K,就会不停 地向周围空间发出热辐射；材料工程基础媒体课件

　　2016/3/28

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　　4.1 热辐射的基本概念

　　2016/3/28

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　　4.1 热辐射的基本概念2.特点 b不需要介质，可以在真空中传播； c 伴随能量形式的转变 d 具有强烈的方向性 e 辐射能与温度和波长均有关；

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　　4.1 热辐射的基本概念3. 物体对热辐射的吸收、反射和穿透Q Q Qr Qt反射率

　　Q Qr Qt 1 Q Q Q

　　reflectivity

　　1

　　吸收率

　　absorptivity2016/3/28

　　透过率

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　　transmissivity7

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　　4.1 热辐射的基本概念 1对于大多数的固体和液体： 0, 1对于不含颗粒的气体：

　　0, 1

　　对于黑体：镜体或白体： 透明体：2016/3/28

　　1 1

　　18

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　　4.1 热辐射的基本概念反射又分镜反射和漫反射两种

　　镜反射2016/3/28

　　漫反射9

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　　4.1 热辐射的基本概念4.透热体、白体与黑体 黑体：能全部吸收辐射能的物体 α=1; 白体：能全部反射辐射能的物体 ρ=1; 透热体：能全部透过辐射能的物体 τ=1; 灰体：能以相同的吸收率α,吸收全部波 长辐射能的物体。 工业上，多数物体都可近似视为灰体2016/3/28

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　　4.2 黑体辐射的基本定律1.黑体概念 黑体：是指能吸收投入到 其面上的所有热辐射能的 物体，是一种科学假想的 物体，现实生活中是不存 在的。但却可以人工制造 出近似的人工黑体。2016/3/28

　　黑体模型11

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　　4.2 黑体辐射的基本定律2.热辐射能量的表示方法

　　(1)辐射力E (W/m2) :单位时间内，物体单位表面积向半球 空间发射的所有波长的能量总

　　和。

　　dQ E dA2016/3/28

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　　4.2 黑体辐射的基本定律(2)单色辐射力Eλ (W/m3) :单位时间内，单位波长范围内(包含某一

　　给定波长),物体单位表面积向半球空间发射的能量。

　　dQ d Q E dA d dA2016/3/28

　　2

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　　4.2 黑体辐射的基本定律E、Eλ关系:E

　　E d

　　黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐 射力为Eb,黑体的单色辐射力为Ebλ2016/3/28

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　　4.2 黑体辐射的基本定律(3)方向辐射力Eφ(W/m2Sr) :方向辐射力是定义来描述物体表面辐射能量在 半球空间中的分布特征，其定义为单位时间单 位辐射面积向半球空间中某一个方向上单位立 体角内辐射的所有波长的辐射能量。

　　d 2Q E d dA微元立体角2016/3/28

　　d

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　　4.2 黑体辐射的基本定律立体角定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角， 单位：sr(球面度)。

　　df d 2 r sin d d 2016/3/28

　　d

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　　4.2 黑体辐射的基本定律(4)定向辐射强度I :定义：单位时间内，物体在垂直发射方向 单位面积上，在单位立体角 内发射的一切波长的能量。

　　dQ I cos dAd 2016/3/28

　　2

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　　4.2 黑体辐射的基本定律3.黑体辐射的基本定律及相关性质 (1)斯蒂芬stefan—波尔兹曼Boltzmann定律 4 b

　　E T

　　Eb——绝对黑体辐射力，W/m2;T ——黑 体的热力学温度 K,σ ——玻耳兹曼常数 (黑体辐射常数),其值为5.6710-8 W/m2.k4。18

　　2016/3/28

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　　4.2 黑体辐射的基本定律3.黑体辐射的基本定律及相关性质 (1)斯蒂芬stefan—波尔兹曼Boltzmann定律 4 T Eb Cb 100

　　Cb为黑体的辐射系数，其数值为5.669 W/m2.K4黑体的辐射能力与热力学温度的四次方成正比— —四次方定律

　　2016/3/28

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　　4.2 黑体辐射的基本定律

　　E 3.黑体辐射的基本定律 Eb 及相关性质

　　(1)斯蒂芬stefan—波尔兹曼 E Eb 4 Boltzmann定律 T Cb 黑度ε:同一温度下，实 100 4 际物体与黑体的辐射能力 T C 之比。只与物体本身的情 100 况有关，与外界的情况无 2 4 C 5 . 669 W/(m K ) 关，实验测定。灰体的辐射系数2016/3/28

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　　4.2 黑体辐射的基本定律3.黑体辐射的基本定律及相关性质(2)Planck定律(第一个定律):

　　黑体单色辐射力

　　Eb

　　c1 5 ec2

　　( T )

　　1

　　式中，λ— 波长，m ;

　　T — 黑体温度，K ;

　　c1 — 第一辐射常数，3.74210-16 W m2; c2 — 第二辐射

　　常数，1.438810-2 m K;2016/3/28

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　　4.2 黑体辐射的基本定律

　　Planck 定律的图示2016/3/28

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　　4.2 黑体辐射的基本定律(3)Wien位移定律(第二个定律)反映出黑体温度越高其单色辐 射力最大值所对应的波长越短 的黑体辐射特征，也就是黑体 温度越高能量分布就越向波长 短方向集中的特征。

　　mT 2.8976 10 3 m K2016/3/28

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　　4.2 黑体辐射的基本定律(4)Stefan-Boltzmann定律(第三个定律):

　　Eb 0 Eb d 0

　　e

　　c2 ( T )

　　c1 5 1

　　d T

　　4

　　式中，σ= 5.6710-8 w/(m2 K4), 是Stefan-Boltzmann常数。材料工程基础媒体课件

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　　4.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射函数： 反映黑体在波长 λ1和λ2区段内所 发射的辐射力 Eb 2016/3/28

　　△Eb

　　21

　　Eb d 特定波长区段内的黑体辐射力25

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　　4.2 黑体辐射的基本定律(5) Lambert 定律(第四个基本定律)

　　I const E I cos Eb .I b例题p173 ex3.6

　　Lambert定律也称为余弦定律。2016/3/28

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　　4.3实际固体和液体的辐射特性1.辐射率

　　黑体的辐射特性：同温度下，黑体发射热辐射的 能力最强，包括所有方向和所有波长； 真实物体表面的辐射能力低于同温度下的黑体； 辐射率 (也称为黑度) :

　　相同温度下，实际物体的半球

　　E E 4 Eb T

　　总辐射力与黑体半球总辐射力之比:

　　2016/3/28

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　　4.3实际固体和液体的辐射特性

　　灰体

　　E

　　E d 0

　　△ 单色发射能力 Eλ:W/m2指：一定温度下，单位时间，单位面积上， 物体发射的某一波长的总能量。 △ 黑体的发射能力 Eb: Eb Eb d 0

　　E △ 灰体对任何波长 ： const Eb 2016/3/28

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　　4.3实际固体和液体的辐射特性2.实际物体的辐射 与黑度随方向和光谱变化 实际物体的辐射力 与黑体辐射力之比:Blackbody

　　Real surface

　　E Eb2016/3/28

　　E (T )d

　　Eb d

　　Eb d T4

　　Wavelength

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　　4.3实际固体和液体的辐射特性实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱 辐射力之比：E E b

　　实际物体的定向辐射强度与黑体的定向 该值为常数时， 为漫发射 辐射强度之比： 2016/3/28

　　E Eb

　　I Ib30

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　　4.3实际固体和液体的辐射特性 灰体实际物体、黑 体和灰体的辐 射能量光谱

　　2016/3/28

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　　4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定

　　律1. 投入辐射：单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能

　　2. 选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，因此，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，这叫选择性吸 收2016/3/28

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　　4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律3. 吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通 常用 表示，即 吸收的能量 投入的能量(投入辐射) 4. 光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸 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。吸收的某一特定波长的能量 ( ,T1) 投入的某一特定波长的能量2016/3/28

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　　4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律

　　金属导电体的光谱吸收比同波长的关系2016/3/28

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　　4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律

　　非导电体材料的光谱吸收比同波长的关系2016/3/28

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　　4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律灰体是指物体单色辐射力与同温度黑体单 色辐射力随波长的变化曲线相似，它的单 色发射率、光谱吸收比与波长无关。不管 投入辐射的分布如何，吸收比 都是同一 个常数,除与自身表面性质的温度有关外， 还与投入辐射按波长的能量分布有关。2016/3/28

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　　4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律

　　物体表面对黑体辐射的吸收比与温度的关系2016/3/28

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　　4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律投入辐射与吸收辐射二者之间的联系： 板1时黑体，板2是任意 物体，参数分别为Eb, T1 以及E, , T2,则 当系统处于热平衡时， 有

　　E Eb E Eb2016/3/28

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　　4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律5.Kirchhoff 定律灰体 黑体

　　灰体传热平衡时: E Eb

　　E Eb Ebα(1-α)Eb

　　E Eb 39

　　2016/3/28

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　　4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律5.Kirchhoff 定律 1

　　物质的吸收率和黑度在数值上相等；4 4

　　T T 2 E Cb Cb 100 100 1,黑体的 =1,最大，则其辐射能力最大； 吸收能力越大，辐射能力也越大。2016/3/28

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　　4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律5.Kirchhoff 定律 E Eb

　　E T

　　4

　　表明物体在某温度下的辐射力与其对同温度黑体辐 射的吸收率之比恒等于该温度下黑体的辐射力。故 吸收率高的物体其辐射能力也就越强，黑体的吸收 率最大，因而辐射能量就最强。

　　2016/3/28

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　　4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律5.Kirchhoff 定律定律的限制：(1)整个系统处于热平衡状态；(2)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； (3)投射辐射源必须是同温度下的黑体。材料工程基础媒体课件42

　　2016/3/28

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　　4.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律Kirchhoff 定律在实际工程应用中采用不同层次

　　上的表达式。Kirchhoff 定律的不同表达式层 次光谱，定向

　　数学表达式

　　成立条件

　　( , , , T ) ( , , , T ) 无条件， 为顶角 ( , T ) ( , T ) (T ) (T )漫射表面与黑体处于热平衡或对漫灰表面

　　光谱，半球全波段，半球

　　2016/3/28

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　　4.5 角系数的定义、性质及计算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

　　表面相对位置的影响2016/3/28

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　　4.5 角系数的定义、性质及计算 4.5.1 角系数的定义角系数是进行辐射换热计算时空间热组的 主要组成部分。 定义：把表面1发出的辐射能中落到表面2 上的百分数称为表面1对表面2的角系数， 记为 X1,2 。同理，表面 2 发出的辐射能中落 到表面 1 上的百分数称为表面 2 对表面 1 的 角系数，记为X2,12016/3/28

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　　4.5 角系数的定义、性质及计算 4.5.2 角系数的性质

　　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： 假定：(1)所研究的表面是漫射的 (2)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

　　2016/3/28

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　　4.5 角系数的定义、性质及计算

　　两微元面间的辐射2016/3/28

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　　4.5 角系数的定义、性质及计算1、角系数的相对(互换性)

　　一个微元表面到另一个微元表面的角系数由dA dA2上的辐射能 I1 dA 1发出的落到 1 cos 1 d 1 由dA E1dA 1发出的辐射能 1

　　X dA1 dA2

　　E1 I1

　　E1 : 辐射力 I1:定向辐射强度

　　df1 dA2 cos 2 d 1 2 r r22016/3/28

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　　4.5 角系数的定义、性质及计算dA2 cos 1 cos 2 X dA1 ,dA2 2 r 同理： dA1 cos 1 cos 2 X dA2 ,dA1 2 r

　　(1) (2)

　　整理(1)、(2)式得：

　　X dA1 ,dA2 dA1 X dA2 ,dA1 dA2两微元表面角系数的相对性表达式：

　　(3)

　　dA1 X dA1 ,dA2 dA2 X dA2 ,dA12016/3/28

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　　4.5 角系数的定义、性质及计算两个有限大小表面之间角系数的相对性

　　1, 2 A1 Eb1 X 1, 2 A2 Eb 2 X 2,1当T1 T2

　　时，净辐射换热量为零，且 Eb1 Eb2

　　则有限大小表面间角系数的相对性的表达式：

　　A1 X1,2 A2 X 2,12016/3/28

　　(4)50

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　　4.5 角系数的定义、性质及计算2、角系数的完整性(归一性) 对于由几个表面组成的封闭系统，据能量 守衡原理，从任何一个表面发射出的辐射能必 全部落到封闭系统的个表面上。因此，任何一 个表面对封闭腔各表面的角系数之间存在下列 关系：

　　X1,1 X1,2 X1,3 X1,n 1

　　Xi 12016/3/28

　　n

　　1, i

　　1

　　(5)51

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　　4.5 角系数的定义、性质及计算

　　自见性：若表面1为非凹表面时，X1,1 = 0;

　　若表面1为凹表面， X 1, 1 02016/3/28

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　　4.5 角系数的定义、性质及计算3、角系数的可分性

　　从表面1上发出而落到表面2上的总能量，等于落到表面2上各部分的辐射能之和,于是

　　A1E1 X1,2 A1E1 X1,2a A1E1 X1,2b

　　X 1,2 X 1,2a X 1,2b

　　如把表面2进一步分成若干小块，则有X 1, 2 2016/3/28

　　Xi 1

　　n

　　1, 2 i

　　(6)53

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　　4.5 角系数的定义、性质及计算

　　角系数的可加性

　　注意，利用角系数可加性时，只有对角 系数符号中第二个角码是可加的，对角系数 符号中的第一个角码则不存在类似的关系。2016/3/28

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　　4.5 角系数的定义、性质及计算从表面2上发出而落到表面1上的辐射能，等于 从表面2的各部分发出而落到表面1上的辐射能之和， 于是有

　　A2 E2 X 2,1 A2 E2 X 2a,1 A2 E2 X 2b,1A2 X 2,1 A2a X 2a,1 A2b X 2b,1

　　A2a A2b X 2,1 X 2a ,1 X 2b,1 A2 A2

　　(7) (8)

　　角系数的上述特性可以用来求解许多情况下 两表面间的角系数值2016/3/28

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　　4.5 角系数的定义、性质及计算 4.5.3 角系数的计算方 法直接积分法求解角系数的方法

　　代数分析法几何分析法

　　2016/3/28

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　　4.5 角系数的定义、性质及计算1、直接积分法

　　按角系数的基本定义通过求解多重积分而获得 角系数的方法 如图所示的两个有限大小的面积，可以得到

　　X d 1,d 2

　　cos 1 cos 2 dA2 r 2

　　微元面积dA1对 A2 的角系数为

　　X d 1, 22016/3/28

　　cos 1 cos 2 dA2 A2 r 257

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　　4.5 角系数的定义、性质及计算上式积分可得

　　cos 1 cos 2 dA2 A1 X 1, dA1 2 A A 2 1 r 2 即X 1, 2 1 A1 cos 1 cos 2 dA2 dA1 A1 A2 2 r58

　　2016/3/28

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　　4.5 角系数的定义、性质及计算2、代数分析法利用角系数的相对性、完整性及可加性，通过 求解代数方程而获得角系数的方法称为代数分析 法。

　　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2016/3/28

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　　4.5 角系数的定义、性质及计算由角系数完整性X 1, 2 X 1, 3 1 X 2 ,1 X 2 , 3 1 X 3 ,1 X 3 , 2 1

　　由角系数相对性

　　A1 X 1, 2 A2 X 2,1 A1 X 1, 3 A3 X 3,1 A2 X 2, 3 A3 X 3, 2

　　2016/3/28

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