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1、第三章第三章 传热学传热学n第一节第一节 概述概述n第二节第二节 热传导热传导n第三节第三节 对流传热对流传热n第四节第四节 热辐射热辐射n第五节第五节 传热过程与换热器传热过程与换热器4/18/20231第三章第三章 传热学传热学第四节第四节 热辐射热辐射4/18/20232 第三章第三章 传热学传热学 第四节第四节 热辐射热辐射n4.1 4.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 n4.2 4.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律 n4.3 4.3 实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性 n4.4 4.4 实际固体的吸收比和基尔霍夫定律实际固体的吸收比和基尔霍夫定律 n4.5
2、4.5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算 n4.6 4.6 两固体外表间的辐射换热两固体外表间的辐射换热n4.7 4.7 辐射换热的强化与削弱辐射换热的强化与削弱 n4.8 4.8 气体辐射气体辐射 4/18/202334.1 4.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念.定义：定义：n辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。n热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能量懂的过程。式向外发射能量懂的过程。.特点特点na a 任何物体只要温度高于任何物体只要温度高于0 K0 K，就会不停，就会不停地向周围空
3、间发出热辐射；地向周围空间发出热辐射；4/18/202344.1 4.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念4/18/202354.1 4.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念.特点特点nb b不需要介质，可以在真空中传播；不需要介质，可以在真空中传播；nc c 伴随能量形式的转变伴随能量形式的转变nd d 具有强烈的方向性具有强烈的方向性ne e 辐射能与温度和波长均有关；辐射能与温度和波长均有关；4/18/202363.3.物体对热辐射的吸收、反射和穿透物体对热辐射的吸收、反射和穿透 吸收率吸收率absorptivity透过率透过率transmissivity反射率反射率reflectivi
4、ty4.1 4.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念4/18/20237对于大多数的固体和液体：对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于不含颗粒的气体：对于黑体：对于黑体：镜体或白体：镜体或白体：透明体：透明体：4.1 4.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念4/18/20238反射又分镜反射和漫反射两种反射又分镜反射和漫反射两种镜反射镜反射 漫反射漫反射4.1 4.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念4/18/202394.4.透热体、白体与黑体透热体、白体与黑体n黑体：能全部吸收辐射能的物体黑体：能全部吸收辐射能的物体 =1=1；n白体：能全部反射辐射能的物体白体：能全部反射辐射能
5、的物体 =1=1；n透热体：能全部透过辐射能的物体透热体：能全部透过辐射能的物体 =1=1；n灰体：能以相同的吸收率灰体：能以相同的吸收率，吸收全部波，吸收全部波长辐射能的物体。长辐射能的物体。n工业上，多数物体都可近似视为灰体工业上，多数物体都可近似视为灰体4.1 4.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念4/18/202310 1.1.黑体概念黑体概念 黑体：是指能吸收投入到黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。出近
6、似的人工黑体。黑体模型黑体模型4.2 4.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律4/18/202311 辐射力辐射力E E W/mW/m2 2 ：单位时间内，物体单位外表积向半球单位时间内，物体单位外表积向半球空间发射的所有波长的能量总和。空间发射的所有波长的能量总和。2.2.热辐射能量的表示方法热辐射能量的表示方法4.2 4.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律4/18/202312单色辐射力单色辐射力E E W/mW/m3 3 ：单位时间内，单位波长范围内包含某一单位时间内，单位波长范围内包含某一给定波长，物体单位外表积向半球空间给定波长，物体单位外表积向半球空间发射的能量。发射的能
7、量。4.2 4.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律4/18/202313E E、E E关系关系:黑体一般采用下标黑体一般采用下标b b表示，如黑体的辐表示，如黑体的辐射力为射力为E Eb b，黑体的，黑体的单色辐射力单色辐射力为为E Ebb4.2 4.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律4/18/202314微元立体角微元立体角方向辐射力方向辐射力E EW/mW/m2 2SrSr ：方向辐射力是定义来描述物体外表辐射能量在方向辐射力是定义来描述物体外表辐射能量在半球空间中的分布特征，其定义为单位时间单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位辐
8、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。体角内辐射的所有波长的辐射能量。4.2 4.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律4/18/202315球球面面面面积积除除以以球球半半径径的的平平方方称称为为立立体体角角，单位：单位：srsr球面度。球面度。立体角立体角定义：定义：4.2 4.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律4/18/202316定义：单位时间内，物体在垂直发射方向定义：单位时间内，物体在垂直发射方向单位面积上，在单位立体角单位面积上，在单位立体角内发射的一切波长的能量。内发射的一切波长的能量。定向辐射强度定向辐射强度 ：4.2 4.2 黑体辐射的
9、基本定律黑体辐射的基本定律4/18/202317n3.3.黑体辐射的基本定律及相关性质黑体辐射的基本定律及相关性质1 1斯蒂芬斯蒂芬stefanstefan波尔兹曼波尔兹曼BoltzmannBoltzmann定定律律nEbEb绝对黑体辐射力，绝对黑体辐射力，W/mW/m2 2；T T 黑黑体的热力学温度体的热力学温度 K K，玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数黑体辐射常数，其值为黑体辐射常数，其值为5.6710-8 5.6710-8 W/mW/m2 2.k.k4 4。4.2 4.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律4/18/202318n3.3.黑体辐射的基本定律及相关性质黑体辐射的基本定律及相关性
10、质1 1斯蒂芬斯蒂芬stefanstefan波尔兹曼波尔兹曼BoltzmannBoltzmann定定律律 C Cb b为黑体的辐射系数，其数值为为黑体的辐射系数，其数值为5.5.669 W/m669 W/m2 2.K.K4 4 黑体的辐射能力与热力学温度的四次方成正比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四次方定律4.2 4.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律4/18/202319n3.3.黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律及相关性质及相关性质1 1斯蒂芬斯蒂芬stefanstefan波尔兹波尔兹曼曼BoltzmannBoltzmann定律定律 黑度黑度：同一温度下，实：同
11、一温度下，实际物体与黑体的辐射能力际物体与黑体的辐射能力之比。只与物体本身的情之比。只与物体本身的情况有关，与外界的情况无况有关，与外界的情况无关关，实验测定实验测定。4.2 4.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律4/18/202320式中，式中，波长，波长，m m；T T 黑体温度，黑体温度，K K；c c1 1 第一辐射常数，第一辐射常数，3.742103.74210-16-16 W W m m2 2；c c2 2 第二辐射常数，第二辐射常数，1.4388101.438810-2-2 K K；2 2PlanckPlanck定律第一个定律：定律第一个定律：黑体单色辐射力黑体单色辐射力3
12、.3.黑体辐射的基本定律及相关性质黑体辐射的基本定律及相关性质4.2 4.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律4/18/202321Planck Planck 定律的图示定律的图示4.2 4.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律4/18/2023223 3WienWien位移定律第二个定律位移定律第二个定律反映出黑体温度越高其单色辐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温度越高能量分布就越向波长短方向集中的特征。短方向集中的特征。4.2 4.2 黑体辐射的基本定律黑体辐
13、射的基本定律4/18/2023234 4Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann定律第三个定律：定律第三个定律：式中，式中，=5.6710=5.6710-8-8 w/w/m m2 2 K K4 4，是是Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数。常数。4.2 4.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律4/18/202324黑体辐射函数：黑体辐射函数：反映黑体在波长反映黑体在波长1 1和和2 2区段内所区段内所发射的辐射力发射的辐射力特定波长区段内的黑体辐射力特定波长区段内的黑体辐射力4.2 4.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律4/18
14、/2023255 5 Lambert Lambert 定律第四个基本定律定律第四个基本定律LambertLambert定律也称为余弦定律。定律也称为余弦定律。4.2 4.2 黑体辐射的基本定律黑体辐射的基本定律例题例题p173p173ex3.6ex3.64/18/2023261.1.辐射率辐射率n黑体的辐射特性：同温度下，黑体发射热辐射的黑体的辐射特性：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；能力最强，包括所有方向和所有波长；n真实物体外表的辐射能力低于同温度下的黑体；真实物体外表的辐射能力低于同温度下的黑体；n辐射率辐射率 也称为黑度也称为黑度 ：相同温度下，实际物体的半
15、球相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比总辐射力与黑体半球总辐射力之比:4.34.3实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性4/18/202327 灰体灰体单色发射能力单色发射能力 E E：W/mW/m2 2指：一定温度下，单位时间，单位面积上，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。物体发射的某一波长的总能量。黑体的发射能力黑体的发射能力 E Eb b：灰体对任何波长灰体对任何波长 ：4.34.3实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性4/18/202328.实际物体的辐射实际物体的辐射与黑度与黑度随方向和光谱变化随方向和光谱变化W
16、avelengthBlackbodyReal surface实际物体的辐射力实际物体的辐射力与黑体辐射力之比与黑体辐射力之比:4.34.3实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性4/18/202329 实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱实际物体的光谱辐射力与黑体的光谱辐射力之比：辐射力之比：实际物体的定向辐射强度与黑体的定向实际物体的定向辐射强度与黑体的定向辐射强度之比：辐射强度之比：该值为常数时，该值为常数时，为漫发射为漫发射4.34.3实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性4/18/202330实际物体、黑实际物体、黑体和灰体的辐体和灰体的辐射能量光谱射能量光谱灰体灰体4.
17、34.3实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性4/18/202331Semi-transparent medium当外界的辐射投入到物体外表上时，该物当外界的辐射投入到物体外表上时，该物体对投入辐射吸收的情况又是如何呢？体对投入辐射吸收的情况又是如何呢？4.34.3实际固体和液体的辐射特性实际固体和液体的辐射特性4/18/2023321.1.投入辐射：单位时间内投射到单位外表积投入辐射：单位时间内投射到单位外表积上的总辐射能上的总辐射能 2.2.选择性吸收：投入辐射本身具有光谱特性，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因此，实际物体对投入辐射的吸
18、收能力也根据其波长的不同而变化，这叫选择性吸根据其波长的不同而变化，这叫选择性吸收收4.44.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律实际固体的吸收比和基尔霍夫定律 4/18/2023333.3.吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通吸收比：物体对投入辐射所吸收的百分数，通常用常用 表示，即表示，即4 4.光谱吸收比：物体对某一特定波长的辐射能所吸光谱吸收比：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。光谱吸收比随波收的百分数，也叫单色吸收比。光谱吸收比随波长的变化表达了实际物体的选择性吸收的特性。长的变化表达了实际物体的选择性吸收的特性。4.44.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律实际
19、固体的吸收比和基尔霍夫定律 4/18/202334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4.44.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律实际固体的吸收比和基尔霍夫定律 4/18/202335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4.44.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律实际固体的吸收比和基尔霍夫定律 4/18/202336灰体灰体灰体是指物体单色辐射力与同温度黑体单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，或它的色辐射力随波长的变化曲线相似，或它的单色发射率不随波长变化的物体；光谱吸单色发射率不随波长变化的物体；
20、光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。此时，收比与波长无关的物体称为灰体。此时，不管投入辐射的分布如何，吸收比不管投入辐射的分布如何，吸收比 都是都是同一个常数。同一个常数。4.44.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律实际固体的吸收比和基尔霍夫定律 4/18/202337物体的吸收比除与自身外表性质的温度有关外，还物体的吸收比除与自身外表性质的温度有关外，还与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标与投入辐射按波长的能量分布有关。设下标1 1、2 2分分别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物别代表所研究的物体和产生投入辐射的物体，则物体体1 1的吸收比为的吸收比为4.44.4实际固体的吸收比和基
21、尔霍夫定律实际固体的吸收比和基尔霍夫定律 4/18/2023384.44.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律实际固体的吸收比和基尔霍夫定律 如果投入辐射来自黑体，由于如果投入辐射来自黑体，由于上式变为：上式变为：4/18/202339物体外表对黑体辐射的吸收比与温度的关系物体外表对黑体辐射的吸收比与温度的关系4.44.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律实际固体的吸收比和基尔霍夫定律 4/18/202340(1)(1)灰体法，即将光谱吸收比灰体法，即将光谱吸收比 等效为等效为常数，即常数，即 =const=const。并将。并将 与波长无关的物体称为灰体，与黑体类与波长无关的物体称为灰体，与黑体类似
22、，它也是一种理想物体，但对于大局部似，它也是一种理想物体，但对于大局部工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可工程问题来讲，灰体假设带来的误差是可以容忍的；以容忍的；(2)(2)谱带模型法，即将所关心的连续分布的谱谱带模型法，即将所关心的连续分布的谱带区域划分为假设干小区域，每个小区域带区域划分为假设干小区域，每个小区域被称为一个谱带，在每个谱带内应用灰体被称为一个谱带，在每个谱带内应用灰体假设。假设。4.44.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律实际固体的吸收比和基尔霍夫定律 4/18/202341投入辐射与吸收辐射二者之间的联系：投入辐射与吸收辐射二者之间的联系：板板1 1时黑体，板时黑体，板2
23、2是任意是任意物体，参数分别为物体，参数分别为EbEb,T1 T1 以及以及E E,T2,T2，则当，则当系统处于热平衡时，有系统处于热平衡时，有4.44.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律实际固体的吸收比和基尔霍夫定律 4/18/202342 灰体灰体 黑体黑体EEb(1-)EbEb4.44.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律实际固体的吸收比和基尔霍夫定律 .Kirchhoff.Kirchhoff 定律定律4/18/2023434.44.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律实际固体的吸收比和基尔霍夫定律 .Kirchhoff.Kirchhoff 定律定律4/18/202344说明物体在某温度下的辐射
24、力与其对同温度黑体辐说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。率最大，因而辐射能量就最强。4.44.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律实际固体的吸收比和基尔霍夫定律 .Kirchhoff.Kirchhoff 定律定律4/18/202345 定律的限制：定律的限制：(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
25、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。4.44.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律实际固体的吸收比和基尔霍夫定律 .Kirchhoff.Kirchhoff 定律定律4/18/202346Kirchhoff Kirchhoff 定律在实际工程应用中采用定律在实际工程应用中采用不同层次不同层次上的表达式。上的表达式。层层 次次数学表达式数学表达式成立条件成立条件光谱，定向光谱，定向光谱，半球光谱，半球全波段，半球全波段，半球无条件，无条件，为顶角为顶角漫射外表漫射外表与黑体处于热
26、平衡或对漫灰外表与黑体处于热平衡或对漫灰外表Kirchhoff Kirchhoff 定律的不同表达式定律的不同表达式4.44.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律实际固体的吸收比和基尔霍夫定律 4/18/202347注：注：(1)(1)漫射外表：漫射外表：指发射或反射的定向辐射强度指发射或反射的定向辐射强度与空间方向无关，即符合与空间方向无关，即符合LambertLambert定律的定律的物体外表；物体外表；(2)(2)灰体：灰体：指光谱吸收比与波长无关的物体，指光谱吸收比与波长无关的物体，其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。样，只
27、是减小了一个相同的比例。4.44.4实际固体的吸收比和基尔霍夫定律实际固体的吸收比和基尔霍夫定律 .Kirchhoff.Kirchhoff 定律定律4/18/202348外表相对位置的影响外表相对位置的影响两个外表之间的辐射换热量与两个两个外表之间的辐射换热量与两个外表之间的相对位置有很大关系外表之间的相对位置有很大关系4.5 4.5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算4/18/202349 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组组的的主要组成局部。主要组成局部。定定义义：把把外外表表1 1发发出出的的辐辐射射能能中中落落到到外外表表2 2上上的的百百
28、分分数数称称为为外外表表1 1对对外外表表2 2的的角角系系数数，记记为为X X1,21,2。同同理理，外外表表2 2发发出出的的辐辐射射能能中中落落到到外外表表1 1上上的的百百分分数数称称为为外外表表2 2对对外外表表1 1的的角系数，记为角系数，记为X X2,12,1 4.5.1 4.5.1 角系数的定义角系数的定义4.5 4.5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算4/18/2023504.5.2 4.5.2 角系数的性质角系数的性质n研究角系数的性质是用代数法代数分析法研究角系数的性质是用代数法代数分析法n求解角系数的前提：求解角系数的前提：假定：假定：1 1所研究的外表
29、是漫射的所研究的外表是漫射的 2 2在所研究外表的不同地点上向在所研究外表的不同地点上向 外发射的辐射热流密度是均匀的外发射的辐射热流密度是均匀的4.5 4.5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算4/18/202351两微元面间的辐射两微元面间的辐射4.5 4.5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算4/18/2023521 1、角系数的相对互换性、角系数的相对互换性n一个微元外表到另一个微元外表的角系数一个微元外表到另一个微元外表的角系数4.5 4.5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算4/18/20235323两微元外表角系数的相对性表达式：两微元外
30、表角系数的相对性表达式：1同理：同理：整理整理1 1、2 2式得：式得：4.5 4.5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算4/18/202354两个有限大小外表之间角系数的相对性两个有限大小外表之间角系数的相对性当当 时，净辐射换热量为零，且时，净辐射换热量为零，且则有限大小外表间角系数的相对性的表达式则有限大小外表间角系数的相对性的表达式：44.5 4.5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算4/18/202355 2 2、角系数的完整性归一性、角系数的完整性归一性 对于由几个外表组成的封闭系统，据能量对于由几个外表组成的封闭系统，据能量守衡原理，从任何一个外表发射
31、出的辐射能必守衡原理，从任何一个外表发射出的辐射能必全部落到封闭系统的个外表上。因此，任何一全部落到封闭系统的个外表上。因此，任何一个外表对封闭腔各外表的角系数之间存在以下个外表对封闭腔各外表的角系数之间存在以下关系：关系：54.5 4.5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算4/18/202356自见性：假设外表自见性：假设外表1 1为非凹外表时，为非凹外表时，X X1,11,1=0=0；假设外表；假设外表1 1为凹外表，为凹外表，4.5 4.5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算4/18/202357 3 3、角系数的可分性、角系数的可分性从外表从外表1 1上发出
32、而落到外表上发出而落到外表2 2上的总能量，等上的总能量，等于落到外表于落到外表2 2上各局部的辐射能之和上各局部的辐射能之和,于是于是如把外表如把外表2 2进一步分成假设干小块，则有进一步分成假设干小块，则有64.5 4.5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算4/18/202358角系数的可加性角系数的可加性 注意，利用角系数可加性时，只有对角注意，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。符号中的第一个角码则不存在类似的关系。4.5 4.5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义
33、、性质及计算4/18/202359 从外表从外表2 2上发出而落到外表上发出而落到外表1 1上的辐射能，等于上的辐射能，等于从外表从外表2 2的各局部发出而落到外表的各局部发出而落到外表1 1上的辐射能之和，上的辐射能之和，于是有于是有 角系数的上述特性可以用来求解许多情况下角系数的上述特性可以用来求解许多情况下两外表间的角系数值两外表间的角系数值(7)(8)4.5 4.5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算4/18/202360直接积分法直接积分法代数分析法代数分析法几何分析法几何分析法求解角系数的方法求解角系数的方法4.5.3 4.5.3 角系数的计算方角系数的计算方法法4.
34、5 4.5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算4/18/202361n按角系数的基本定义通过求解多重积分而获得角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系数的方法n如下图的两个有限大小的面积，可以得到如下图的两个有限大小的面积，可以得到微元面积微元面积 对对 的角系数为的角系数为1 1、直接积分法、直接积分法4.5 4.5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算4/18/202362上式积分可得上式积分可得即即4.5 4.5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算4/18/2023632 2、代数分析法、代数分析法 利用角系数的相对性、完整性及可加
35、性，通过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。求解代数方程而获得角系数的方法称为代数分析法。1 1三个非凹外表三个非凹外表组成的封闭系统组成的封闭系统三个非凹外表组成的封闭系统三个非凹外表组成的封闭系统4.5 4.5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算4/18/202364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4.5 4.5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算4/18/202365上述方程解得：上述方程解得：由于垂直纸面方向由于垂直纸面方向的长度相同，则有：的长度相同，则有：4.5 4.5 角系数的定
36、义、性质及计算角系数的定义、性质及计算4/18/202366两个非凹外表及假想面组成的封闭系统两个非凹外表及假想面组成的封闭系统2 2任意两个非凹外表间的角系任意两个非凹外表间的角系数数4.5 4.5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算4/18/202367根据角系数的完整性：根据角系数的完整性：4.5 4.5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算4/18/202368说明：一外表与对应外表的角系数等于，说明：一外表与对应外表的角系数等于，构成封闭四边形的对角线之和减去其余构成封闭四边形的对角线之和减去其余两边线段之和然后除以二倍的该外表的两边线段之和然后除以二倍的该
37、外表的面积计算线段。面积计算线段。4.5 4.5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算4/18/202369例题例题4-14-1，求以下图形中的角系数，求以下图形中的角系数解：解：4.5 4.5 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算4/18/202370解：解：例题例题4-2 4-2：求图中：求图中1 1、4 4两个外表之间的角系数两个外表之间的角系数4/18/202371如下图，黑外表如下图，黑外表1 1和和2 2之间的辐射换热量为之间的辐射换热量为4.6 4.6 两固体外表间的辐射换热两固体外表间的辐射换热.6.6.两黑体外表组成的封闭腔间的辐射换热两黑体外表组成的
38、封闭腔间的辐射换热4/18/2023722 2有有效效辐辐射射：单单位位时时间间内内离离开开单单位位面面积积的的总辐射能为该外表的有效辐射，记为总辐射能为该外表的有效辐射，记为J J。1 1、物体外表的有效辐射、物体外表的有效辐射1 1投入辐射投入辐射：单位时间内投射到单位面积单位时间内投射到单位面积上的总辐射能，记为上的总辐射能，记为G G。.6.漫射灰外表之间的辐射漫射灰外表之间的辐射换热计算换热计算4.6 4.6 两固体外表间的辐射换热两固体外表间的辐射换热4/18/202373例题例题p178p178ex3.7ex3.7有效辐射有效辐射自身射辐射自身射辐射E投入辐射被反射投入辐射被反射
39、辐射的局部辐射的局部4.6 4.6 两固体外表间的辐射换热两固体外表间的辐射换热4/18/202374 从外表外部来观察，其从外表外部来观察，其能量收支差额能量收支差额应应等于有效辐射与投入辐射之差，即等于有效辐射与投入辐射之差，即从外表内部观察，从外表内部观察，该外表与外界的该外表与外界的辐射换热量应为：辐射换热量应为：4.6 4.6 两固体外表间的辐射换热两固体外表间的辐射换热4/18/202375联立方程式，消去联立方程式，消去，得到，得到J J与外表净辐射与外表净辐射换热量之间的关系换热量之间的关系:称为外表辐射热阻称为外表辐射热阻4.6 4.6 两固体外表间的辐射换热两固体外表间的辐
40、射换热4/18/2023762 2 漫射灰外表之间的辐射热交换漫射灰外表之间的辐射热交换4.6 4.6 两固体外表间的辐射换热两固体外表间的辐射换热4/18/202377特例：黑体间的辐射换热量特例：黑体间的辐射换热量4.6 4.6 两固体外表间的辐射换热两固体外表间的辐射换热4/18/202378两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、两灰外表组成的封闭腔的辐射换热、两灰外表组成的封闭腔的辐射换热4.6 4.6 两固体外表间的辐射换热两固体外表间的辐射换热4/18/202379两个外表的净换热量为两个外表的净换热量为据热量平衡据热量平衡4.6 4.6 两固体外表间的辐射换热两固
41、体外表间的辐射换热4/18/202380代入整理得代入整理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热网络图外表辐射热阻外表辐射热阻空间辐射热阻空间辐射热阻4.6 4.6 两固体外表间的辐射换热两固体外表间的辐射换热4/18/202381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：定义系统黑度或称为系统发射率定义系统黑度或称为系统发射率4.6 4.6 两固体外表间的辐射换热两固体外表间的辐射换热4/18/202382三种特殊情形三种特殊情形1 1 外表外表1 1为凸面或平面，此时，为凸面或平面，此时，X X1,21,21 1，于是，于是4.6 4.6 两固体外表间的辐
42、射换热两固体外表间的辐射换热4/18/2023832 2 外表积外表积A A1 1比外表积比外表积A A2 2小得多，即小得多，即A A1 1/A/A2 2 0 0 于是于是3 3 外表积外表积A A1 1与外表积与外表积A A2 2相当，即相当，即A A1 1/A/A2 2 1 14.6 4.6 两固体外表间的辐射换热两固体外表间的辐射换热4/18/202384 ，求测温误差？求测温误差？某房间吊装一水银温度计读数为某房间吊装一水银温度计读数为1515，温度计头部发射率黑度为温度计头部发射率黑度为0.90.9，头部与室，头部与室内空气间的对流换热系数为内空气间的对流换热系数为20W/m20W
43、/m2 2K K，墙外表，墙外表温度为温度为10 10，求该温度计的测量误差。如何，求该温度计的测量误差。如何减小测量误差？减小测量误差？讨论练习：讨论练习：4.6 4.6 两固体外表间的辐射换热两固体外表间的辐射换热4/18/202385 4.6 4.6 两固体外表间的辐射换热两固体外表间的辐射换热例题例题p183p183ex3.8ex3.84/18/202386三个凸形漫灰外表间的辐射换热计算三个凸形漫灰外表间的辐射换热计算4.6 4.6 两固体外表间的辐射换热两固体外表间的辐射换热4/18/2023874.6 4.6 两固体外表间的辐射换热两固体外表间的辐射换热4/18/202388a
44、a 有一个外表为黑体。黑体的外表热阻有一个外表为黑体。黑体的外表热阻为零。其网络图如下：为零。其网络图如下：.两个重要特例两个重要特例4.6 4.6 两固体外表间的辐射换热两固体外表间的辐射换热4/18/202389b b 有一个外表绝热，即该外表的净换热量为有一个外表绝热，即该外表的净换热量为零。其网络图见以下图：零。其网络图见以下图：4.6 4.6 两固体外表间的辐射换热两固体外表间的辐射换热4/18/202390总结：总结：辐射传热速率的计算辐射传热速率的计算4.6 4.6 两固体外表间的辐射换热两固体外表间的辐射换热式中式中C C 1-21-2总辐射系数；总辐射系数；A A传热面积；传
45、热面积；1-21-2角系数物体角系数物体1 1发射辐射能被发射辐射能被2 2拦截分率。拦截分率。4/18/202391平行壁面间平行壁面间4.6 4.6 两固体外表间的辐射换热两固体外表间的辐射换热4/18/20239211被被2 2包围包围4.6 4.6 两固体外表间的辐射换热两固体外表间的辐射换热4/18/202393影响辐射传热的因素影响辐射传热的因素1.1.温度的影响温度的影响 T T4 4，低温时可忽略，高温时可能成为主要方式，低温时可忽略，高温时可能成为主要方式2.2.几何位置的影响几何位置的影响3.3.外表黑度的影响外表黑度的影响 ，可通过改变黑度的大小强化或减小辐射传热。，可通
46、过改变黑度的大小强化或减小辐射传热。4.4.辐射外表间介质的影响辐射外表间介质的影响 减小辐射散热，在两换热面加遮热板黑度较小的热减小辐射散热，在两换热面加遮热板黑度较小的热屏。屏。4.6 4.6 两固体外表间的辐射换热两固体外表间的辐射换热4/18/202394强化辐射换热的主要途径有两种：强化辐射换热的主要途径有两种：(1)(1)增加发射率；增加发射率；(2)(2)增加角系数。增加角系数。削弱辐射换热的主要途径有三种：削弱辐射换热的主要途径有三种：(1)(1)降低发射率；降低发射率；(2)(2)降低角系数；降低角系数；(3)(3)参加遮热板。参加遮热板。4.7 4.7 辐射换热的强化与削弱
47、辐射换热的强化与削弱4/18/202395遮热板指插入两个辐射遮热板指插入两个辐射换热外表之间以削弱辐射换热外表之间以削弱辐射换热的薄板，其实插入遮换热的薄板，其实插入遮热板相当于降低了外表发热板相当于降低了外表发射率。射率。削弱辐射换热方式之一削弱辐射换热方式之一 .遮热板遮热板4.7 4.7 辐射换热的强化与削弱辐射换热的强化与削弱4/18/202396稳态时有稳态时有:可见，与没有遮热板时相比，辐射换热量减小可见，与没有遮热板时相比，辐射换热量减小了一半。了一半。辐射外表和金属板的温度、吸收比方下图。为讨辐射外表和金属板的温度、吸收比方下图。为讨论方便，设平板和金属薄板都是灰体，并且论方
48、便，设平板和金属薄板都是灰体，并且4.7 4.7 辐射换热的强化与削弱辐射换热的强化与削弱4/18/2023974.7 4.7 辐射换热的强化与削弱辐射换热的强化与削弱4/18/202398削弱辐射换热的方式之二削弱辐射换热的方式之二.遮热罩遮热罩4.7 4.7 辐射换热的强化与削弱辐射换热的强化与削弱4/18/202399 本本节节将将简简要要介介绍绍气气体体辐辐射射的的特特点点、换换热热过过程程及及其其处处理理方方法法。在在工工程程中中常常见见的的温温度度范范围围内内，和和 具具有有很很强强的的吸吸收收和和发发射射热辐射的本领，而其他的气体则较弱。热辐射的本领，而其他的气体则较弱。4.8
49、4.8 气体辐射气体辐射4/18/20231001 1 气体辐射的特点气体辐射的特点 1 1 气体辐射对波长具有选择性。它气体辐射对波长具有选择性。它只在某谱带内具有发射和吸收辐射的本领，只在某谱带内具有发射和吸收辐射的本领，而对于其他谱带则呈现透明状态。而对于其他谱带则呈现透明状态。和和 的主要吸收的主要吸收谱带谱带4.8 4.8 气体辐射气体辐射4/18/20231012 2 气体的辐射和吸收是在整个容积中气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的，因而，气体的发射率和吸收比还进行的，因而，气体的发射率和吸收比还与容器的形状和容积大小有关。与容器的形状和容积大小有关。4.8 4.8 气体辐射气体
50、辐射4/18/20231022 2 气体辐射的衰减规律气体辐射的衰减规律当当热热辐辐射射进进入入吸吸收收性性气气体体层层时时，因因沿沿途被气体吸收而衰减。途被气体吸收而衰减。4.8 4.8 气体辐射气体辐射4/18/2023103理论上已经证明，理论上已经证明，与行程与行程 d dx x 成正比，设比成正比，设比例系数为例系数为 ，则有，则有式中，负号表示吸收，式中，负号表示吸收，为光谱衰减系数，为光谱衰减系数，m m-1-1，它取决于其体的种类、密度和波长。它取决于其体的种类、密度和波长。4.8 4.8 气体辐射气体辐射4/18/2023104即即Beer Beer 定律定律 式式中中，s