第5章-熱輻射及輻射傳熱

1、 石油工程傳熱學石油工程傳熱學 石油工程傳熱學石油工程傳熱學 石油工程傳熱學石油工程傳熱學 石油工程傳熱學石油工程傳熱學第5章 熱輻射及輻射傳熱v5-1 熱輻射的基本概念v5-2 黑體輻射的基本定律v5-3 黑體表面間的輻射傳熱與角系數(shù)v5-4 實際物體輻射的基本規(guī)律 v5-5 封閉系統(tǒng)中灰體表面間的輻射傳熱 石油工程傳熱學石油工程傳熱學5-1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念一、熱輻射本質(zhì)一、熱輻射本質(zhì)1 1、基本概念、基本概念輻射輻射：物體以電磁波向外傳遞能量的現(xiàn)象。：物體以電磁波向外傳遞能量的現(xiàn)象。 熱輻射熱輻射: :由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運動狀態(tài)由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運動狀態(tài)改變，

2、而將部分內(nèi)能轉(zhuǎn)換成電磁波的能量發(fā)射改變，而將部分內(nèi)能轉(zhuǎn)換成電磁波的能量發(fā)射出去的過程。電磁波落到物體上，一部分被物出去的過程。電磁波落到物體上，一部分被物體吸收，將電磁波的能量重新轉(zhuǎn)換成內(nèi)能。體吸收，將電磁波的能量重新轉(zhuǎn)換成內(nèi)能。 石油工程傳熱學石油工程傳熱學2 2、特點：、特點：不需要物體直接接觸?？稍谡婵罩袀鬟f不需要物體直接接觸。可在真空中傳遞( (最有效最有效）有能量的轉(zhuǎn)化。有能量的轉(zhuǎn)化。輻射：輻射體內(nèi)熱能輻射：輻射體內(nèi)熱能輻射能輻射能吸收：輻射能吸收：輻射能受射體內(nèi)熱能受射體內(nèi)熱能只要只要T0K,T0K,就有能量輻射。高溫物體低溫物體雙就有能量輻射。高溫物體低溫物體雙向輻射熱能向輻射熱

3、能物體的輻射能力與絕對溫度的四次方成正比。物體的輻射能力與絕對溫度的四次方成正比。電磁波遵循電磁波遵循c c =規(guī)律規(guī)律 石油工程傳熱學石油工程傳熱學3 3、電磁波譜、電磁波譜 由于起因不同，物體發(fā)出電磁波的波長也同。由于起因不同，物體發(fā)出電磁波的波長也同。熱輻射的波長主要位于熱輻射的波長主要位于0.101000m的范圍內(nèi)。的范圍內(nèi)。熱射線：熱射線：熱輻射產(chǎn)生的電磁波熱輻射產(chǎn)生的電磁波 石油工程傳熱學石油工程傳熱學工業(yè)上一般物體工業(yè)上一般物體(T800K)，可見光份額才有所升高。常溫下，實際，可見光份額才有所升高。常溫下，實際物體的輻射主要是紅外輻射。物體的輻射主要是紅外輻射。 石油工程傳熱學

4、石油工程傳熱學三、維恩位移定律三、維恩位移定律(1893(1893年年) )max2898m KT 石油工程傳熱學石油工程傳熱學,5800KT 58002898mm5 . 0,2000KT 20002898mm45. 1,300KT 3002898mm66. 9應用舉例應用舉例 石油工程傳熱學石油工程傳熱學思考思考1 1、一鐵塊放入高溫爐中加熱，從輻射的角度分析鐵塊的顏色變化過程、一鐵塊放入高溫爐中加熱，從輻射的角度分析鐵塊的顏色變化過程用它可測定太空星體表面溫度，也可用來選擇對特定地物的監(jiān)測用它可測定太空星體表面溫度，也可用來選擇對特定地物的監(jiān)測波段，如火災檢測。波段，如火災檢測。2 2、黑

5、體一定是黑色的嗎？、黑體一定是黑色的嗎？3 3、節(jié)能燈原理？、節(jié)能燈原理？ 石油工程傳熱學石油工程傳熱學三、三、Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann定律定律40)(51012TdecdEETcbb式中，式中，= 5.67= 5.671010-8-8 W/(m W/(m2 2 K K4 4) )，是斯蒂芬，是斯蒂芬- -波爾茲波爾茲曼常數(shù)。曼常數(shù)。描述了黑體輻射力隨表面溫度的變化規(guī)律。描述了黑體輻射力隨表面溫度的變化規(guī)律。 18791879年年StefanStefan實驗，實驗，18841884年年 BoltzmanBoltzman熱力學熱力學理論得出；將理論得出；將

6、Planks LawPlanks Law積分即得。積分即得。 石油工程傳熱學石油工程傳熱學21dEEbb黑體輻射函數(shù)黑體輻射函數(shù)定義：定義：在在0的波長范圍內(nèi)黑體發(fā)出的輻射能在其的波長范圍內(nèi)黑體發(fā)出的輻射能在其輻射力中所占份額。輻射力中所占份額。圖中的在圖中的在 1和和 2之間的線下面積。黑體在波長之間的線下面積。黑體在波長1和和2區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力：區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力： 石油工程傳熱學石油工程傳熱學(0 )0(0 )4bbbbbEdEFET黑體輻射函數(shù)黑體輻射函數(shù)定義：定義：在在0的波長范圍內(nèi)黑體發(fā)出的輻射能在其的波長范圍內(nèi)黑體發(fā)出的輻射能在其輻射力中所占份額，輻射力中所占份額，F(xiàn)b(0

7、) 。將將Eb用普朗克定律代入得：用普朗克定律代入得：0(0)4bbbEdFFTT 石油工程傳熱學石油工程傳熱學波段輻射力波段輻射力: :2211212121()40400(0)(0)2111()()bbbbbbbbE dFE dTE dE dE dTFFfTfT在在12的波長范圍黑體的波段的波長范圍黑體的波段輻射函數(shù)為：輻射函數(shù)為：黑體輻射函數(shù)黑體輻射函數(shù) 石油工程傳熱學石油工程傳熱學四、四、 Lambert Lambert 定律定律定向輻射強度的定義圖定向輻射強度的定義圖可以證明：可以證明：黑體輻射的定向輻射強度與方向無關(guān)。黑體輻射的定向輻射強度與方向無關(guān)。( )LL常量 它說明黑體的定向

8、輻射力隨天頂角它說明黑體的定向輻射力隨天頂角 呈余弦呈余弦規(guī)律變化。規(guī)律變化。 LambertLambert定律也稱為余弦定律。定律也稱為余弦定律。黑體黑體輻射能在空間不同方向上的分布不均勻：法向最輻射能在空間不同方向上的分布不均勻：法向最大，切向最?。榱悖?。大，切向最?。榱悖?石油工程傳熱學石油工程傳熱學注意：注意：1 1）對服從）對服從LambertLambert定律的表面，輻射強度與輻射定律的表面，輻射強度與輻射力的關(guān)系。力的關(guān)系。 2 2）定向輻射強度與方向無關(guān)的表面）定向輻射強度與方向無關(guān)的表面漫射表漫射表面面3 3）對黑體輻射強度的理解：相當于）對黑體輻射強度的理解：相當于“

9、燈泡亮燈泡亮度度”，即從不同方向看過去，其亮度都是一樣的。，即從不同方向看過去，其亮度都是一樣的。 石油工程傳熱學石油工程傳熱學黑體輻射定律小結(jié)黑體輻射定律小結(jié) 、Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann定律定律：描述黑體在某一溫度：描述黑體在某一溫度下向半球空間所有方向輻射的全部波長的能量，即下向半球空間所有方向輻射的全部波長的能量，即對方向和波長都積分的結(jié)果。對方向和波長都積分的結(jié)果。、PlanckPlanck定律定律：描述黑體在某一溫度下向半球空：描述黑體在某一溫度下向半球空間所有方向輻射的能量沿波長分布的規(guī)律，即只對間所有方向輻射的能量沿波長分布的規(guī)律，即只對方

10、向積分，但研究的是某一波長。方向積分，但研究的是某一波長。、LambertLambert定律定律 ：描述黑體在某一溫度下所輻射：描述黑體在某一溫度下所輻射的全部波長的能量沿半球空間方向上的分布規(guī)律，的全部波長的能量沿半球空間方向上的分布規(guī)律，即只對波長積分，但研究的是某一方向。即只對波長積分，但研究的是某一方向。對黑體而言，輻射強度是常數(shù)。對黑體而言，輻射強度是常數(shù)。 石油工程傳熱學石油工程傳熱學v任意放置的兩個黑體表面:v面積A1、A2v溫度T1、T2v如何計算它們的傳熱量？5-3 黑體表面間的輻射傳熱與角系數(shù)黑體表面間的輻射傳熱與角系數(shù) 石油工程傳熱學石油工程傳熱學v表面1發(fā)出的輻射能Eb

11、1A1v表面2發(fā)出的輻射能Eb2A2v二者相減是不是它們之間的換熱量？v為什么？ 石油工程傳熱學石油工程傳熱學 在表面面積、溫度確定的條件下，在表面面積、溫度確定的條件下，表面表面1 1發(fā)發(fā)出的輻射能未必全部落到表面出的輻射能未必全部落到表面2 2上，同樣表面上，同樣表面2 2發(fā)發(fā)出的輻射能未必全部落到表面出的輻射能未必全部落到表面1 1上上v表面相對位置不同，黑體發(fā)出的輻射能落到對方上的數(shù)量是不同的因為表面是向其上的半球空間發(fā)射的 石油工程傳熱學石油工程傳熱學v兩個表面之間的輻射換熱量與兩個表面之間的相對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)系位置有很大關(guān)系表面相對位置的影

12、響表面相對位置的影響va a圖中兩表面無限接近，相互間的換熱量最大；圖中兩表面無限接近，相互間的換熱量最大；vb b圖中兩表面位于同一平面上，相互間的輻射換熱量為零。圖中兩表面位于同一平面上，相互間的輻射換熱量為零。 石油工程傳熱學石油工程傳熱學一、角系數(shù)一、角系數(shù) 同理，表面同理，表面2發(fā)出發(fā)出的輻射能中的輻射能中落到落到表面表面2上的上的百分數(shù)百分數(shù)稱為表面稱為表面2對表面對表面1的角系數(shù)，的角系數(shù)，記為記為X2,1。 角系數(shù)是進行輻射換熱計算時空間熱角系數(shù)是進行輻射換熱計算時空間熱阻的主要組成部分。阻的主要組成部分。 角系數(shù)角系數(shù)：把表面把表面1發(fā)出發(fā)出的輻射能中的輻射能中落到落到表面表

13、面2上的上的百分數(shù)百分數(shù)稱為表面稱為表面1對表面對表面2的角的角系數(shù)，記為系數(shù)，記為X1,2。 石油工程傳熱學石油工程傳熱學二、角系數(shù)的性質(zhì)二、角系數(shù)的性質(zhì)v研究角系數(shù)的性質(zhì)是用代數(shù)法（代數(shù)分析法）求研究角系數(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。解角系數(shù)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點上向外發(fā)射的輻射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熱流密度是均勻的 石油工程傳熱學石油工程傳熱學1 1、角系數(shù)的相對性、角系數(shù)的相對性1 ,2222, 11121XEAXEAbb ，當當T1=T2時，凈輻射換熱量為零，即時，凈輻射

14、換熱量為零，即Eb1=Eb2則兩個表面間角系數(shù)的相對性的表達式則兩個表面間角系數(shù)的相對性的表達式：11,222,1AXAX 兩個黑體表面間進行輻射換熱，表面兩個黑體表面間進行輻射換熱，表面1輻射輻射到表面到表面2的輻射能為的輻射能為A1Eb1X1,2，表面，表面2輻射到表面輻射到表面1的輻射能為的輻射能為A2Eb2X2,1，兩黑體表面間的凈輻射，兩黑體表面間的凈輻射換熱量為：換熱量為： 由于角系數(shù)是純幾何因素，與是否黑體無由于角系數(shù)是純幾何因素，與是否黑體無關(guān)，所以相對性也適用于其它漫射表面。關(guān)，所以相對性也適用于其它漫射表面。 石油工程傳熱學石油工程傳熱學2 2、角系數(shù)的完整性、角系數(shù)的完整

15、性1, 13 , 12 , 11 , 1 nXXXX角系數(shù)的完整性角系數(shù)的完整性注：注：若表面若表面1為非凹表面時，為非凹表面時，X1,1=0；若表面；若表面1為為凹表面，凹表面，110X， niiX1, 113 3、角系數(shù)的有界性、角系數(shù)的有界性01ijX， 石油工程傳熱學石油工程傳熱學 如圖：從表面如圖：從表面1 1上發(fā)出而落上發(fā)出而落到表面到表面2 2上的總能量，等于落到上的總能量，等于落到表面表面2 2上各部分的輻射能之和：上各部分的輻射能之和：4 4、角系數(shù)的分解性、角系數(shù)的分解性( (可加性可加性) )bbabbXEAXEAXEA2 , 1112 , 1112 , 111 baXX

16、X2 , 12 , 12 , 1 如把表面如把表面2 2進一步分成若干小塊，則有進一步分成若干小塊，則有 niiXX12, 12, 1角系數(shù)的可加性角系數(shù)的可加性 石油工程傳熱學石油工程傳熱學三、確定角系數(shù)的方法三、確定角系數(shù)的方法v從角系數(shù)的定義出發(fā)直接求得從角系數(shù)的定義出發(fā)直接求得v積分法積分法v查曲線法查曲線法v代數(shù)分析法代數(shù)分析法v投影法（幾何圖形法）投影法（幾何圖形法）T2T1 石油工程傳熱學石油工程傳熱學(1)(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)圖圖8-23 8-23 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)四、用代數(shù)法求角系數(shù)四、用代數(shù)法求角系數(shù)

17、 石油工程傳熱學石油工程傳熱學1112,31 ,33,21 ,23, 12, 1 XXXXXX2,333,221 ,333, 111 ,222, 11XAXAXAXAXAXA 由角系數(shù)完整性由角系數(shù)完整性由角系數(shù)相對性由角系數(shù)相對性A3A2A1三表面封閉空間三表面封閉空間角系數(shù)的確定角系數(shù)的確定 石油工程傳熱學石油工程傳熱學上述方程解得：上述方程解得：21323, 232313, 113212, 1222AAAAXAAAAXAAAAX 由于垂直黑板方向的長度相同，則有：由于垂直黑板方向的長度相同，則有：21232, 112313, 113212, 1222llllXllllXllllX 石油工

18、程傳熱學石油工程傳熱學(2)任意兩個非凹表面間的角系數(shù) 如圖：表面和假定在垂直于紙面的方向上表如圖：表面和假定在垂直于紙面的方向上表面的長度是無限延伸的，只有封閉系統(tǒng)才能應用面的長度是無限延伸的，只有封閉系統(tǒng)才能應用角系數(shù)的完整性，為此作輔助線角系數(shù)的完整性，為此作輔助線acac和和bdbd，與，與abab、cdcd一起構(gòu)成封閉腔。一起構(gòu)成封閉腔。兩個非凹表面及假想面兩個非凹表面及假想面組成的封閉系統(tǒng)組成的封閉系統(tǒng) 石油工程傳熱學石油工程傳熱學根據(jù)角系數(shù)的完整性：根據(jù)角系數(shù)的完整性：1ab cdabcab bdXXX ，a，2abcab ac bcXab，a2ab bdab bd adXab，

19、兩個非凹表面及假想面組兩個非凹表面及假想面組成的封閉系統(tǒng)成的封閉系統(tǒng) 石油工程傳熱學石油工程傳熱學12A交叉線之和 不交叉線之和表面 的斷面長度 上述方法又被稱為上述方法又被稱為交叉線法交叉線法。注意：這里所。注意：這里所謂的交叉線和不交叉線都是指虛擬面斷面的線，謂的交叉線和不交叉線都是指虛擬面斷面的線，或者說是輔助線?；蛘哒f是輔助線。,()()2ab cdbcadacbdXab兩個非凹表面及假想面組兩個非凹表面及假想面組成的封閉系統(tǒng)成的封閉系統(tǒng) 石油工程傳熱學石油工程傳熱學例題例題8-18-1，求下列圖形中的角系數(shù)，求下列圖形中的角系數(shù)12X，11 222 1A XA X，212211AXX

20、A，211X，21324RR43解：解： 石油工程傳熱學石油工程傳熱學221221122112121 2ARXXXARX，解：解：21221121121 14 218AXXXAX ，解：解：1 20.5X，解：解： 石油工程傳熱學石油工程傳熱學解：從圖中可知，表面解：從圖中可知，表面2 2對表面對表面3 3和表面和表面2 2對表面對表面1 13 3的角系的角系數(shù)都可以從圖數(shù)都可以從圖6 61414中查出：中查出：X X2 2，3 30.100.10X X2 2，1 13 30.150.15。由角系數(shù)的可分性由角系數(shù)的可分性X X2 2，1 13 3X X2 2，1 1X X2 2，3 3可得到

21、：可得到：X X2 2，1 1X X2 2，1 13 3X X2 2，3 3。再根據(jù)角系數(shù)的互換性再根據(jù)角系數(shù)的互換性A A1 1X X1,21,2A A2 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. .試確定如圖所示的表面試確定如圖所示的表面1 1對表面對表面2 2的角系數(shù)的角系數(shù)X X1 1，2 2。 石油工程傳熱學石油工程傳熱學二 兩黑體表面間的輻射換熱

22、v確定了角系數(shù)之后，結(jié)合斯蒂芬-波爾茲曼定律可以很方便的求出兩個黑體表面之間的凈換熱量 2b1b21121EEXA,2b1b122EEXA,1,2111,2222,1bbE AXE A X 石油工程傳熱學石油工程傳熱學2b1b21121EEXA,2b1b122EEXA,寫成電學中歐姆定律表達式的形式寫成電學中歐姆定律表達式的形式 b1b2b1b21,211,222,111EEEEA XA X11,21A X相當于電阻相當于電阻, , 稱為稱為空間輻射熱阻空間輻射熱阻 22,11A X 石油工程傳熱學石油工程傳熱學 5-4 實際物體輻射的基本規(guī)律實際物體輻射的基本規(guī)律熱輻射兩個重要性質(zhì)熱輻射兩個

23、重要性質(zhì)光譜性質(zhì)：光譜性質(zhì)：光譜輻射力隨光譜輻射力隨 波長的變化波長的變化方方 向向 性：性：輻射度輻射度v實際物體的光譜輻射力不僅比黑體的光譜輻射力實際物體的光譜輻射力不僅比黑體的光譜輻射力E Ebb小，小，而且而且E E與波長的關(guān)系也沒有一定的規(guī)律性。與波長的關(guān)系也沒有一定的規(guī)律性。一、實際物體一、實際物體 石油工程傳熱學石油工程傳熱學1、發(fā)射率、發(fā)射率v同溫度下，黑體發(fā)射熱輻射的能力最強；同溫度下，黑體發(fā)射熱輻射的能力最強；v真實物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體真實物體表面的發(fā)射能力低于同溫度下的黑體v發(fā)射率發(fā)射率( (也稱為也稱為黑度黑度) ) ：相同溫度下，實際物體相同溫度下，實

24、際物體的輻射力與黑體輻射力之比的輻射力與黑體輻射力之比: :4TEEEb實驗證明：實際物體的輻射力并不嚴格地與溫度的四次方成實驗證明：實際物體的輻射力并不嚴格地與溫度的四次方成比例，為了計算方便，將偏差考慮到比例，為了計算方便，將偏差考慮到中。中。 與溫度有關(guān)與溫度有關(guān) 石油工程傳熱學石油工程傳熱學 公式只是針對方向和光譜平均的情況，但實際公式只是針對方向和光譜平均的情況，但實際上，真實表面的發(fā)射能力是隨方向和光譜變化的。上，真實表面的發(fā)射能力是隨方向和光譜變化的。WavelengthDirection (angle from the surface normal) 石油工程傳熱學石油工程傳熱

25、學 石油工程傳熱學石油工程傳熱學定向發(fā)射率定向發(fā)射率：實際物體的定向輻射強度與黑體實際物體的定向輻射強度與黑體的定向輻射強度之比：的定向輻射強度之比：2、定向發(fā)射率、定向發(fā)射率定向發(fā)射力定向發(fā)射力：在數(shù)值上為單位輻射面積在單位時在數(shù)值上為單位輻射面積在單位時間內(nèi)向某一方向單位立體角內(nèi)發(fā)射的輻射能間內(nèi)向某一方向單位立體角內(nèi)發(fā)射的輻射能pdEdAd/coscos/coscospeepbbbbebdEELLdAddEELLdAd 石油工程傳熱學石油工程傳熱學 ,T ,T ,TbEE 對于指定波長，而在方向上平均的情況，對于指定波長，而在方向上平均的情況，則定義了則定義了光譜發(fā)射率光譜發(fā)射率，即即實際

26、物體的光譜實際物體的光譜輻射力與黑體的光譜輻射力之比輻射力與黑體的光譜輻射力之比3、光譜發(fā)射率、光譜發(fā)射率 石油工程傳熱學石油工程傳熱學幾種金屬導體在不同方向上的定向發(fā)射率幾種金屬導體在不同方向上的定向發(fā)射率 ( )(t=150) 石油工程傳熱學石油工程傳熱學幾種非導電體材料在不同方向上的定向發(fā)射率幾種非導電體材料在不同方向上的定向發(fā)射率 ( )(t=093.3) 石油工程傳熱學石油工程傳熱學 某一溫度下，實際物體的定向輻射強度在各方向上的某一溫度下，實際物體的定向輻射強度在各方向上的變化是不規(guī)則的。變化是不規(guī)則的。v金金 屬：屬：在在040基本為常數(shù)；然后隨著基本為常數(shù)；然后隨著，；接近接近

27、90 減小到減小到0v非金屬：非金屬：在在060 基本為常數(shù)；后基本為常數(shù)；后 石油工程傳熱學石油工程傳熱學v半球空間的平均發(fā)射率（半球發(fā)射率、發(fā)射率）半球空間的平均發(fā)射率（半球發(fā)射率、發(fā)射率）v粗糙物體：粗糙物體： v表面光滑的非金屬物體表面光滑的非金屬物體 ：v高度磨光的金屬物體：高度磨光的金屬物體：v一般情況下，近似認為，大多數(shù)工程材料可以認一般情況下，近似認為，大多數(shù)工程材料可以認為是漫反射表面。為是漫反射表面。0.98n0.95n1.2n 石油工程傳熱學石油工程傳熱學幾點說明：幾點說明： 將不確定因素歸于修正系數(shù)將不確定因素歸于修正系數(shù)，這是由于熱輻，這是由于熱輻射非常復雜，很難理論

28、確定，是權(quán)宜之計；射非常復雜，很難理論確定，是權(quán)宜之計； 雖然實際物體并非絕對的漫射表面，但仍然近雖然實際物體并非絕對的漫射表面，但仍然近似地認為大多數(shù)工程材料是漫射表面；似地認為大多數(shù)工程材料是漫射表面；1.1.影響發(fā)射率的因素：影響發(fā)射率的因素：物質(zhì)種類、表面溫度和表物質(zhì)種類、表面溫度和表面狀況面狀況。這說明發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本。這說明發(fā)射率只與發(fā)射輻射的物體本身有關(guān)，而不涉及外界條件。因此，身有關(guān)，而不涉及外界條件。因此，發(fā)射率是發(fā)射率是一個物性參數(shù)一個物性參數(shù)。 石油工程傳熱學石油工程傳熱學我們看到的常溫物體呈現(xiàn)某我們看到的常溫物體呈現(xiàn)某一顏色，解釋這一現(xiàn)象。一顏色，解釋這一現(xiàn)象

29、。4 4、實際物體的吸收特性（對投入輻射反應）、實際物體的吸收特性（對投入輻射反應） 石油工程傳熱學石油工程傳熱學1 1）吸收選擇性吸收選擇性：投入輻射本身具有光譜特性，因：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，這叫吸收選擇性波長的不同而變化，這叫吸收選擇性 例如：例如：墨鏡墨鏡、焊接防護鏡焊接防護鏡解釋：物體呈現(xiàn)不同的顏色？解釋：物體呈現(xiàn)不同的顏色？黑色：黑色：全部吸收；全部吸收；白色：白色：全部反射全部反射綠色：綠色：反射綠色；反射綠色；灰色：灰色：均勻吸收均勻吸收 石油工程傳熱學石油工程傳熱學2 2）

30、吸收比吸收比：物體對投入輻射所吸收的百分數(shù)，通：物體對投入輻射所吸收的百分數(shù)，通常用常用 表示表示，即，即)(投入輻射投入的能量吸收的能量3 3）光譜吸收比光譜吸收比：物體對某一特定波長的輻射能所：物體對某一特定波長的輻射能所吸收的百分數(shù)，也叫單色吸收比。光譜吸收比隨吸收的百分數(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。波長的變化體現(xiàn)了實際物體的選擇性吸收的特性。能量投入的某一特定波長的能量吸收的某一特定波長的),(1T 石油工程傳熱學石油工程傳熱學室溫下幾種材料的光譜吸收比同波長的關(guān)系室溫下幾種材料的光譜吸收比同波長的關(guān)系金屬導電體的光譜吸收比同波長的關(guān)系金屬

31、導電體的光譜吸收比同波長的關(guān)系非導電體材料的光譜吸收比同波長的關(guān)系非導電體材料的光譜吸收比同波長的關(guān)系 石油工程傳熱學石油工程傳熱學根據(jù)前面的定義可知，根據(jù)前面的定義可知，物體的吸收比除與自身表面物體的吸收比除與自身表面性質(zhì)（材料種類、粗糙度、氧化情況等）和表面溫性質(zhì)（材料種類、粗糙度、氧化情況等）和表面溫度有關(guān)外，還與投入輻射按波長的能量分布有關(guān)度有關(guān)外，還與投入輻射按波長的能量分布有關(guān)。 實際物體的吸收比實際物體的吸收比 =f（吸收表面性質(zhì)、溫度和投射輻射性質(zhì)）（吸收表面性質(zhì)、溫度和投射輻射性質(zhì)）白漆：對太陽光白漆：對太陽光=0.12=0.12；對紅外線；對紅外線=0.90=0.90黑漆：

32、對太陽光黑漆：對太陽光=0.96=0.96；對紅外線；對紅外線=0.90=0.90 石油工程傳熱學石油工程傳熱學圖圖6-276-27給出了一些材料對黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系。給出了一些材料對黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系。如果投入輻射來自黑體，由于如果投入輻射來自黑體，由于 ，則上式可變?yōu)?，則上式可變?yōu)?),(2Tb)1,(d)(),(d)(d)(),(d)(),(d)(),(),(21420210202102202211的性質(zhì)表面TTfTTETTETETTETTETTbbbbbbb 石油工程傳熱學石油工程傳熱學一些材料對黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系一些材料對黑體輻射的吸收比與溫度的關(guān)系 石

33、油工程傳熱學石油工程傳熱學 實際物體的光譜吸收比與黑體相差很大，不實際物體的光譜吸收比與黑體相差很大，不但小于但小于1 1，無規(guī)律，且隨波長變化。若某一物體的，無規(guī)律，且隨波長變化。若某一物體的光譜吸收比雖小于光譜吸收比雖小于1 1，但它是一個不隨投射輻射的，但它是一個不隨投射輻射的波長而變化的常數(shù)，則它的吸收比也是一個常數(shù)。波長而變化的常數(shù)，則它的吸收比也是一個常數(shù)?；殷w灰體：光譜吸收比與波長無關(guān)的物體稱為灰體。：光譜吸收比與波長無關(guān)的物體稱為灰體。二、灰體二、灰體 const 石油工程傳熱學石油工程傳熱學 灰體灰體與黑體類似，它也是一種理想物體，但對與黑體類似，它也是一種理想物體，但對于大

34、部分工程問題來講，灰體假設帶來的誤差是可于大部分工程問題來講，灰體假設帶來的誤差是可以接受的。以接受的。 灰體灰體的光譜發(fā)射率亦為常數(shù)。的光譜發(fā)射率亦為常數(shù)。 constbEE 石油工程傳熱學石油工程傳熱學發(fā)射輻射與吸收輻射二者之間的聯(lián)系發(fā)射輻射與吸收輻射二者之間的聯(lián)系: 1859年基爾霍夫揭示了與周圍環(huán)境處年基爾霍夫揭示了與周圍環(huán)境處于熱平衡狀態(tài)下的實際物體輻射力于熱平衡狀態(tài)下的實際物體輻射力E與吸收與吸收比比間的關(guān)系。間的關(guān)系。三、基爾霍夫定律三、基爾霍夫定律 石油工程傳熱學石油工程傳熱學bbEEEE如圖，板如圖，板1是黑體，板是黑體，板2是實際物體，是實際物體，參數(shù)分別為參數(shù)分別為Eb,

35、 T1 以及以及E, , T2圖圖8-17 平行平板平行平板間的輻射換熱間的輻射換熱當系統(tǒng)處于熱平衡時當系統(tǒng)處于熱平衡時q=0，有，有 板板2支出與收入的差額即為兩板間支出與收入的差額即為兩板間輻射換熱的熱流密度輻射換熱的熱流密度q： bqEE 石油工程傳熱學石油工程傳熱學 即基爾霍夫即基爾霍夫定律的表達式之一。表述為：定律的表達式之一。表述為：在在熱平衡條件下，任何物體輻射力與它對黑體輻射熱平衡條件下，任何物體輻射力與它對黑體輻射的吸收比之比恒等于同溫度下黑體的輻射力。的吸收比之比恒等于同溫度下黑體的輻射力。說明：說明：整個系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；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

36、溫度有關(guān)，則二者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；只有處于同一溫度下的值才能相等；(1)(1)投射輻射源必須是同溫度下的黑體。投射輻射源必須是同溫度下的黑體。 石油工程傳熱學石油工程傳熱學推論：推論：善于輻射的物體也必善于吸收同溫度下黑體的善于輻射的物體也必善于吸收同溫度下黑體的輻射能；輻射能；11，實際物體，實際物體EEbEEb（同溫度下），即在同一（同溫度下），即在同一溫度下，黑體的輻射力最大；溫度下，黑體的輻射力最大；在與黑體處于熱平衡條件下，任何物體對黑體在與黑體處于熱平衡條件下，任何物體對黑體輻射的吸收比等于同溫度下該物體的發(fā)射率。輻射的吸收比等

37、于同溫度下該物體的發(fā)射率。(1)(1)對于光譜輻射對于光譜輻射 bE TTTET（另一表達形式）（另一表達形式）,TT 石油工程傳熱學石油工程傳熱學對灰體來說：對灰體來說：灰體的吸收比與投射輻射的波長分布無關(guān)，即灰體的吸收比與投射輻射的波長分布無關(guān)，即只取決于本身情況，而與外界條件無關(guān)。只取決于本身情況，而與外界條件無關(guān)。(1)(1) ,TTconst ,TT ,TTconst 石油工程傳熱學石油工程傳熱學例：北方深秋季節(jié)的清晨，樹葉葉面上常常結(jié)霜。例：北方深秋季節(jié)的清晨，樹葉葉面上常常結(jié)霜。試問樹葉上、下表面的哪一面結(jié)箱試問樹葉上、下表面的哪一面結(jié)箱? ?為什么為什么? ?答：霜會結(jié)在樹葉的

38、上表面。因為清晨，上表答：霜會結(jié)在樹葉的上表面。因為清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。而太空表面的面朝向太空，下表面朝向地面。而太空表面的溫度溫度00，而地球表面溫度一般，而地球表面溫度一般0 0 。由于。由于相對樹葉下表面來說，其上表面需要向太空輻相對樹葉下表面來說，其上表面需要向太空輻射更多的能量，所以樹葉下表面溫度較高，而射更多的能量，所以樹葉下表面溫度較高，而上表面溫度較低且可能低于零度，因而容易結(jié)上表面溫度較低且可能低于零度，因而容易結(jié)霜。霜。 石油工程傳熱學石油工程傳熱學 灰體表面間的輻射傳熱過程比較復雜，不僅發(fā)出灰體表面間的輻射傳熱過程比較復雜，不僅發(fā)出輻射，還有灰體表面間的

39、多次反射輻射。常常采用輻射，還有灰體表面間的多次反射輻射。常常采用有效輻射有效輻射J的概念來簡化，但其大小又常常是未知的概念來簡化，但其大小又常常是未知的。同時由于向外輻射的空間大，接觸的物體多，的。同時由于向外輻射的空間大，接觸的物體多，常假想為是一個常假想為是一個封閉系統(tǒng)封閉系統(tǒng)，便于計算。，便于計算。求求J方法：方法：輻射網(wǎng)絡法輻射網(wǎng)絡法假設：假設：表面的有效輻射均勻；灰體；充滿透明介質(zhì)表面的有效輻射均勻；灰體；充滿透明介質(zhì)5-5 5-5 封閉系統(tǒng)中灰體表面間的輻射換熱封閉系統(tǒng)中灰體表面間的輻射換熱 石油工程傳熱學石油工程傳熱學一、組成輻射網(wǎng)絡的基本熱阻一、組成輻射網(wǎng)絡的基本熱阻1 1、

40、表面輻射熱阻、表面輻射熱阻iiiiiJ AG A 對任一表面對任一表面i，從，從表面表面i外部外部來觀察，其來觀察，其能量收支能量收支差額差額應等于有效輻射應等于有效輻射Ji與投入輻射與投入輻射Gi之差，即之差，即(1)iiiiJEG（a）（b）有效輻射示意圖有效輻射示意圖 石油工程傳熱學石油工程傳熱學 從表面從表面i內(nèi)部觀察，內(nèi)部觀察，該表面與外界的輻射換熱該表面與外界的輻射換熱量應為：量應為：iiiiiE AG A 有效輻射示意圖有效輻射示意圖（c） 聯(lián)立聯(lián)立(a)、(c)，消去，消去Gi，得，得到到Ji與表面凈輻射換熱量之間與表面凈輻射換熱量之間的關(guān)系的關(guān)系:11(1)iiiiibiii

41、iiiEJEAA（8-33） 石油工程傳熱學石油工程傳熱學當發(fā)射率當發(fā)射率i1或表面積或表面積Ai時，時， 0。由此。由此可見，可見， 是因為是因為表面的發(fā)射率不等于表面的發(fā)射率不等于1或表面面或表面面積不是無窮大而產(chǎn)生的熱阻積不是無窮大而產(chǎn)生的熱阻，即由表面的因素產(chǎn)，即由表面的因素產(chǎn)生的熱阻，所以稱為生的熱阻，所以稱為表面輻射熱阻表面輻射熱阻。 將上式變形，得到：將上式變形，得到：11ibiiiiibiiiiiiiE AJ AEJA （8-34）注意：式中的各個量均是對同一表面而言的，而注意：式中的各個量均是對同一表面而言的，而且以且以向外界的凈放熱量為正；凈吸熱量為負向外界的凈放熱量為正；

42、凈吸熱量為負。1iiiA1iiiA 石油工程傳熱學石油工程傳熱學2 2、空間輻射熱阻、空間輻射熱阻,i jiii jjjj iiii jjii jJ A XJ A XJ A XJ A X由灰體表面由灰體表面 i 和和表面表面 j 輻射換熱計算式得：輻射換熱計算式得：,11ijiji jii jjj iJJJJA XA X 是灰體表面是灰體表面 i 的有效輻射面積的有效輻射面積Ae,i（AiXi,j）不是無限大而產(chǎn)生的不是無限大而產(chǎn)生的空間輻射熱阻空間輻射熱阻（或幾何熱阻）（或幾何熱阻）,1ii jA X 石油工程傳熱學石油工程傳熱學二、兩灰表面組成的封閉系統(tǒng)的輻射換熱二、兩灰表面組成的封閉系統(tǒng)

43、的輻射換熱兩個物體組成的輻射換熱系統(tǒng)兩個物體組成的輻射換熱系統(tǒng) 石油工程傳熱學石油工程傳熱學下面來分析兩個等溫漫灰表面封閉系統(tǒng)內(nèi)的輻射下面來分析兩個等溫漫灰表面封閉系統(tǒng)內(nèi)的輻射換熱情況。如圖所示，兩個表面的凈換熱量為換熱情況。如圖所示，兩個表面的凈換熱量為根據(jù)能量守恒有根據(jù)能量守恒有1,2111,2222,1A J XA J X(a)11111,2111bJ AA E(b)22222,1211bJ AA E(c)1,22,1 (d)1(1)bJEA因為因為 石油工程傳熱學石油工程傳熱學將將 (b)(b)、(c)(c)、(d)(d)代入代入(a)(a)得得2222,11111212,1111AX

44、AAEEbb1bE1J2J2bE1111A11,21A X2221A兩封閉表面間的輻射換熱網(wǎng)絡圖兩封閉表面間的輻射換熱網(wǎng)絡圖 石油工程傳熱學石油工程傳熱學若以若以 為計算面積，上式可改寫為：為計算面積，上式可改寫為：1A11111)(2212, 112112, 1AAXEEAbb11,2121,22,112()11111bbAXEEXX11,212()sbbAXEE1,22,11211111sXX 定義定義系統(tǒng)黑度系統(tǒng)黑度( (或稱為或稱為系統(tǒng)發(fā)射率系統(tǒng)發(fā)射率) ) 石油工程傳熱學石油工程傳熱學幾種特殊情形幾種特殊情形(1)(1) 表面表面1為凸面或平面為凸面或平面(同心圓錐體同心圓錐體)，此

45、時，此時，X1,21，于是，于是1121,21122()111bbA EEAA(2)(2) 表面積表面積A1與表面積與表面積A2相當且相當且X1,21(平行大平行大平壁平壁)，即，即A1/A2 1 于是于是1121,212()111bbA EEA A1 1A A2 2 石油工程傳熱學石油工程傳熱學(3)(3) 表面積表面積A1比表面積比表面積A2小得多小得多(非凹小物體非凹小物體)，且且X1,21，即即A1/A2 0 于是于是(4)(4)黑體黑體1,21112()bbA EE121,211,21bbEEA XA1A2T1T2 石油工程傳熱學石油工程傳熱學例題：某房間吊裝一水銀溫度計讀數(shù)為例題：

46、某房間吊裝一水銀溫度計讀數(shù)為1515，已，已知溫度計頭部發(fā)射率（黑度）為知溫度計頭部發(fā)射率（黑度）為0.90.9，頭部與室，頭部與室內(nèi)空氣間的對流換熱系數(shù)為內(nèi)空氣間的對流換熱系數(shù)為20W/(m20W/(m2 2.K).K)，墻表，墻表面溫度為面溫度為1010，求該溫度計的測量誤差。如何減，求該溫度計的測量誤差。如何減小測量誤差？小測量誤差？解：解： 由題意可知，這是一個小面積對大面積的輻由題意可知，這是一個小面積對大面積的輻射問題（包容壁面輻射），且輻射換熱量與射問題（包容壁面輻射），且輻射換熱量與對流換熱量遵守能量守恒：對流換熱量遵守能量守恒：12()()bbfwA EEhA tt 石油工程

47、傳熱學石油工程傳熱學16.2ft 41bwET8440.9 5.67 10(273 15)(273 10)20(15)ft42bwET16.2 15100%7.4%16.2 石油工程傳熱學石油工程傳熱學欲使欲使1,21,2，途徑有三，途徑有三: :1121,212()111bbA EE 改變表面溫度改變表面溫度 改變表面黑度（發(fā)射率）改變表面黑度（發(fā)射率） 加遮擋板。加遮擋板。三、遮擋板三、遮擋板兩個相互靠近無兩個相互靠近無限大平行平板限大平行平板 石油工程傳熱學石油工程傳熱學 所謂所謂遮熱板遮熱板，是指插入兩，是指插入兩個輻射換熱表面之間以削弱個輻射換熱表面之間以削弱輻射換熱的薄板，其實插入

48、輻射換熱的薄板，其實插入遮熱板相當于降低了表面發(fā)遮熱板相當于降低了表面發(fā)射率。本節(jié)主要討論這種削射率。本節(jié)主要討論這種削弱輻射換熱的方式。弱輻射換熱的方式。 遮熱板遮熱板一般采用薄金屬板制成，一般采用薄金屬板制成，大大; ;小小加遮擋板后：加遮擋板后：A1=A2=A3，X1,3=X3,2=X1,2=1 石油工程傳熱學石油工程傳熱學顯然，顯然，有有1層遮擋板時（層遮擋板時（遮擋板左右側(cè)發(fā)射率相同遮擋板左右側(cè)發(fā)射率相同）：）：1,3,21,33,21,2 遮熱板遮熱板1121,2312132()111121bbA EE 1,21,2 與沒有插入時相比，加遮擋板后增加了與沒有插入時相比，加遮擋板后增

49、加了3 3個熱個熱阻（兩個表面輻射熱阻，一個空間輻射熱阻），阻（兩個表面輻射熱阻，一個空間輻射熱阻），從而使插入后傳熱量減小。從而使插入后傳熱量減小。 石油工程傳熱學石油工程傳熱學1bE1J2J2bE1111A11,21A X2221A無遮擋板時無遮擋板時輻射換熱網(wǎng)絡圖輻射換熱網(wǎng)絡圖加遮擋板時加遮擋板時輻射換熱網(wǎng)絡圖輻射換熱網(wǎng)絡圖1bE1J31J3bE1111A11,31A X2221A2bE32J2J33,21A X3331A3331A 石油工程傳熱學石油工程傳熱學由于插入遮擋板后總熱阻不變，無論遮擋板靠近由于插入遮擋板后總熱阻不變，無論遮擋板靠近板板1還是板還是板2，換熱量不變，與距離無關(guān)

50、。，換熱量不變，與距離無關(guān)。當當 時，插入時，插入n塊發(fā)射率相同的遮擋板塊發(fā)射率相同的遮擋板有有 。實際上遮擋板的發(fā)射率遠小于兩板的。實際上遮擋板的發(fā)射率遠小于兩板的發(fā)射率，降低效果更加明顯。發(fā)射率，降低效果更加明顯。 1231,21,211n若遮擋板左右側(cè)發(fā)射率不同，插入遮擋板后，總?cè)粽趽醢遄笥覀?cè)發(fā)射率不同，插入遮擋板后，總熱阻不變，這時改變左右放置位置換熱量不變，但熱阻不變，這時改變左右放置位置換熱量不變，但側(cè)面的溫度會不同。側(cè)面的溫度會不同。 石油工程傳熱學石油工程傳熱學例題：例題：有一環(huán)空管道，內(nèi)管外直徑為有一環(huán)空管道，內(nèi)管外直徑為d1=0.1m，溫，溫度度t1=480，發(fā)射率，發(fā)射率1=0.8，外管內(nèi)直徑，外管內(nèi)直徑d2=0.3m，溫度溫度t2=200，發(fā)射率，發(fā)射率2=0.6，環(huán)空中為透明氣體，環(huán)空中為透明氣體，為使二管之間的熱損失減少一半，需加一遮擋屏，為使二管之間的熱損失減少一半，需加一遮擋屏，此屏的直徑為此屏的直徑為d3=0.15m。求遮擋屏的發(fā)射率（假設。求遮擋屏的發(fā)射率（假設左右側(cè)面相等）及溫度。左右側(cè)面相等）及溫度。 石油工程傳熱學