辐射换热解读课件

*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,3-3 辐射传热,Radiation Heat Transfer,1,3-3 辐射传热 1,物体以,电磁波,的方式向外,传递能量,的过程。,辐射传热的定义,2,物体以电磁波的方式向外传递能量的过程。辐射传热的定义2,热射线-被物体吸收后转变为热能的电磁波；,热射线波长为0.4,1000 m ，包括：,可见光：0.4 0.76 m（紫-红）,红外线：,0.76 1000m（近红外：0.76 25 m；,远红外：25 1000 m ),3,热射线-被物体吸收后转变为热能的电磁波；3,（1）,能量转换：,内能,辐射能,辐射能,内能,A物体（发射） B物体（吸收）,（2）凡T0K的物体均具有将其本身的能量以电磁波的方式辐射出去，同时有接受电磁波的能力，,其净结果热量高低；,（3）,热辐射可以在真空中传播，无需任何介质；,（4）热射线的传播具有与光同样特性，具有反射、折射和吸收的特性； 能在均一介质中作直线传播。,辐射传热的特点,4,（1）能量转换：内能辐射能辐射能内能辐射传热的,吸收率：A = Q,A,/Q,0,；,反射,率,：R = Q,R,/Q,0,；,透射,率,：D = Q,D,/Q,0,；,A + R + D = 1,Q,0,Q,R,Q,D,Q,A,Q,0,= Q,A,+ Q,R,+ Q,D,(吸收),(反射),(透射),（投射）,吸收、反射和透过,5,吸收率：A = QA/Q0；Q0QRQDQAQ0 =,（绝对）黑体,A=1，R=D=0,（绝对）透热体,D=1，A=R=0,（绝对）白体,R=1，A=D=0,理想物体模型,6,（绝对）黑体（绝对）透热体（绝对）白体理想物体模型6,自然界中并不存在（绝对）黑体、（绝对）白体、（绝对）透热体。,固体、,液体,：D,0，,A + R = 1,气体：,CO,2,、H,2,O、SO,2,、烟气：R0，,A + D = 1,H,2,、N,2,、O,2,、Ar、干空气：D,1，R0，A 0,7,自然界中并不存在（绝对）黑体、（绝对）白体、（绝对）透热体。,注意：,“黑”，“白”之分不据颜色（,可见光）,，,而是热射线。,雪（白漆）：,A ,0.98，近似黑体,黑光金属：R=0.97，近似白体,一般，物体表面愈粗糙，愈近于“黑体”。,在相同温度下，黑体的辐射最强，规律性也最强。,（黑体模型）,8,注意：8,Q,Q,D,0,Q,R,0,在空心体的壁面上所开的小孔具有黑体的性质，,热射线在射入腔膛后，经过多次反射、吸收后，几乎全部被吸收。,小孔愈小，愈接近于黑体。,黑体模型,9,QQD 0QR 0在空心体的壁面上所开的小孔具有黑体的性,1 辐射传热的基本定律,1.1 普朗克（Plamck）辐射定律,1.2 维恩偏移定律,1.3 斯蒂芬波尔茨曼定律(Stefan-Boltzmann),1.4 克希霍夫（Kirchhoff）定律,10,1 辐射传热的基本定律1.1 普朗克（Plamck）辐射,1.1 普朗克（Planck）辐射定律,M.（Max Planck 18581947）,伟大的德国物理学家，量子论的奠基人。,描述黑体的单色辐射能力,揭示了黑体辐射能力按照波长的分配规律。,11,1.1 普朗克（Planck）辐射定律M.（Max Pla,（1）辐射能力和辐射强度,辐射能力,（全辐射能力）,符号：“E”,单位：W/m,2,黑体：E,0,一定温度下，单位时间，单位面积上，物体所能发射出的全部波长的总能量。,辐射强度,（单色辐射能力）,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。,符号：“E,”,单位：W/m,3,黑体： E,0,12,（1）辐射能力和辐射强度 辐射能力符号：“E” 一定温度下，,（2）,普朗克辐射定律,E,0,，,10,10,，W/m,3,，m,黑体的发射能力 E,0,：,13,（2）普朗克辐射定律 E0，1010，W/m3，m黑,对E,0,曲线的讨论：,（1）在某一温度下，黑体辐射能力随波长而变化：,，E,0,；达到最高值后， E,0,。,（2）某一波长的单色辐射能力随温度升高而增大；,（3）温度愈高，最大辐射强度的波长愈短；,（4）温度,2000K，辐射波长大部分在0.7610m的范围内，可见光比例相当小，可以忽略。,随温度升高，可见光比例在不断增加，亮度逐渐增加，依次出现红、橙、黄、白 。,窑炉内常根据物料的颜色和亮度判断其温度。,14,对E0曲线的讨论：（1）在某一温度下，黑体辐射能力随波,灰体：,能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体。,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。,灰体是一个理想的概念，自然界中并不存在灰体。,理想灰体与黑体在同一温度下单色辐射力关系：,E,1,/E,01,= E,2,/E,02,= E,n,/E,0n,=,= 常数,大多数工程材料对于波长在0.7620um内的辐射能力，其吸收率随波长变化不大，视为灰体。,15,灰体：能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体。理想灰体与,1.2 维恩偏移定律Wiens displacement Law,对普朗克定律求导，并令其等于0，即可求出极大值E,0max,和,max,。,T,max,=2896（mk）,T,，最大单色辐射能力向短波长方向移动。,确定了最大辐射强度的波长与绝对温度的关系。,16,1.2 维恩偏移定律Wiens displacement,17,17,依据维恩偏移定律，可以根据,max,判断黑体表面的温度。,(1),太阳表面的温度T 5800 K?,(2) 红外保暖内衣？,（1）,测得太阳光谱的,max,= 0.5 m，,则： T = 2896/0.5 = 5792 K 5800 K,（2） 人的体温37C，（T=273+37=310K）,则：max= 2896/310 9.34 m,18,依据维恩偏移定律，可以根据max判断黑体表面的温度。 (1,1.3 斯蒂芬波尔茨曼定律(Stefan-Boltzmann),确定了黑体辐射力E,0,随温度T变化的关系。,式中：,C,0,黑体的辐射系数，5.669W/ m,2,K,4,T黑体的热力学温度，K,（,W/m,2,）,四次方定律不仅指出了黑体只要绝对温度不为零就具有辐射能力，还表明了高温和低温辐射能力的显著差异。,19,1.3 斯蒂芬波尔茨曼定律(Stefan-Boltzma,物体的黑度,：,物体辐射能力与同温度下黑体辐射能力的比值。,反映灰体接近黑体的程度，值由实验测定。,黑度= E/E,0,灰体辐射能力,20,物体的黑度：物体辐射能力与同温度下黑体辐射能力的比值。黑度,1.4 克希霍夫（Kirchhoff）定律,确定了任意物体的辐射能力E与吸收率A之间的关系。,21,1.4 克希霍夫（Kirchhoff）定律确定了任意物体的,克希霍夫定律：,任何物体的辐射力与其吸收率之比，恒等于同温度下黑体的辐射力，且只与温度有关。,物体的吸收率越大，其发射能力也越强，也就是善于吸收的物体必然善于发射。,在所有物体中，黑体的辐射能力最强。,22,克希霍夫定律：任何物体的辐射力与其吸收率之比，恒等于同温度下,A=,克希霍夫恒等式,在热平衡条件下，任何物体对黑体辐射的吸收率等于同温度下该物体的黑度。,23,A=克希霍夫恒等式23,1.普朗克定律：物体的辐射能力E与波长的关系,2. 斯蒂芬-波尔茨曼定律：黑体辐总射能力与绝对温度的关系,3. 克希霍夫定律：任意物体的辐射能力与它的吸收率之间的关系,4. 物体的黑度 ：反映灰体接近于黑体的程度, 可比较灰体间辐射能力的大小,小结,24,1.普朗克定律：物体的辐射能力E与波长的关系小结24,2.1角系数,一个物体的辐射热量落到另一个物体上的百分数。,热辐射的发射和吸收均具有空间方向特性，,表面间的辐射换热与表面几何形状、大小和各表面的相对位置等均有关系。,2 固体间的辐射传热,A,1,A,2,25,2.1角系数一个物体的辐射热量落到另一个物体上的百分数。2,平面A,1,对,A,2,的角系数：,平面1发出的辐射能中落到平面2上的百分数,平面A,2,对,A,1,的角系数：,平面2发出的辐射能中落到平面1上的百分数,A,1,A,2,26,平面A1对A2的角系数：平面A2对A1的角系数：A1A226,（1）角系数的性质,互变性,完整性,A,1,A,2,27,（1）角系数的性质 互变性 完整性 A1A227,一个物体表面辐射出去的热量可能投向自身表面的百分数。,平面和凸面：,凹面：,自见性,28,一个物体表面辐射出去的热量可能投向自身表面的百分数。平面和凸,透热体,兼顾性,不透热体,29,透热体兼顾性不透热体29,（2）常见的几种角系数值,A、两个无限大的平行平面,B、一个平面1和一个曲面2组成的封闭体系,A,1,A,2,A,1,A,2,30,（2）常见的几种角系数值 A、两个无限大的平行平面B、一个平,C、一个物体1被另一个物体2包围,D、两个曲面组成的封闭体系,A,1,A,2,A,1,A,2,A,3,31,C、一个物体1被另一个物体2包围D、两个曲面组成的封闭体系A,2.2 两个黑体间的辐射传热,表面积：A,1,和A,2,表面温度：T,1,和T,2,角系数：,12,、,21,32,2.2 两个黑体间的辐射传热表面积：A1和A232,因为两个表面都是黑体，所以落到上面的能量被全部吸收，则两个表面之间的净辐射传热量Q,12,为：,33,因为两个表面都是黑体，所以落到上面的能量被全部吸收，则两个表,E,01,E,02,黑体辐射传热的电热网络图,空间热阻,一个物体辐射出去的热量，只有一部分是落到另一物体上，可看作两物体之间存在着辐射热阻。,与物体的性质无关，只取决于物体间的几何关系。,两物体间角系数愈小，空间热阻愈大。,34,E01E02黑体辐射传热的电热网络图空间热阻34,导来黑度:,两灰体表面间反复辐射换热计算式:,2.3灰体间的辐射传热,35,导来黑度:两灰体表面间反复辐射换热计算式: 2.3灰体间的辐,两个物体均为无限大的平行平面,如果两平行平面中：,1,2,（或,2,1,）,则：,12,2,（或,12,1,）,导来黑度取决于黑度小的平面。,常见封闭体系的辐射传热,36,两个物体均为无限大的平行平面 如果两平行平面中：1,当一平面或一物体被另一物体包围时：,如果两物体中，,A,2,A,1,，则：,12,1,。,大表面的黑度对系统的导来黑度影响很小，以致忽略。,37,当一平面或一物体被另一物体包围时： 如果两物体中，A2,两个灰体表面间的辐射传热的电网络图,38,两个灰体表面间的辐射传热的电网络图 38,遮热板：,插入两个辐射换热表面之间以削弱辐射换热的薄板，其实插入遮热板相当于降低了表面发射率。,遮热板,2.4 削弱辐射换热遮热板,39,遮热板：插入两个辐射换热表面之间以削弱辐射换热的薄板，其实插,例1：实验室内有一高0.5m，宽1m的铸铁炉门，其表面温度为600,， 其黑度,1,=0.78。,（1）试求由炉门辐射散热量,（2）若在炉门前25mm外放置一块同等大小的铝板（已氧化）作为热屏，其黑度,3,=0.15，则辐射散热量可降为多少？设室温为27,。,高温炉门,铝板遮热屏,环境空气,40,例1：实验室内有一高0.5m，宽1m的铸铁炉门，其表面温度为,41,41,42,42,例2：用裸露热电偶测得管产内高温气体的温度T,1,923K。已知管壁温度为440,，热电偶表面的黑度,1,0.3。高温气体对热电偶表面的对流给热系数,50W/m.，,（1）试求管内的真实温度T,g,及热电偶的测温误差。,（2）如采用单层遮热抽气式热电偶，假设由于抽气的原因气体对热电偶的的对流给热系数,增至90W/m.，遮热罩表面的黑度,2,0.3,43,例2：用裸露热电偶测得管产内高温气体的温度T1923K。已,44,44,45,45,46,46,【例】,某房间吊装一水银温度计读数为15，已知温度计头部黑度为0.9，头部与室内空气间的对流换热系数,为20W/mK,，墙表面温度为10 ,，求该温度计的测量误差。如何减小测量误差？,47,【例】某房间吊装一水银温度计读数为15，已知温度计头部黑,解：,48, 解：48,【例】计算在厂房内的蒸气管道外表面每米长的辐射热损失。,已知管外保温层的黑度,1,0.9，外径d583mm，外壁面温度t,1,50，室温t,2,20,49,【例】计算在厂房内的蒸气管道外表面每米长的辐射热损失。49,【解】,属一个物体被另一个物体包围时的辐射换热,因为管道表面积,F,1,相对于厂房面积,F,2,来说是很小,12,1,50,【解】属一个物体被另一个物体包围时的辐射换热 1215,3 气体辐射,O2、H2、N2等分子结构对称的双原子气体无发射与吸收辐射能的能力，是不参与辐射换热的透明体。,CO2、H2O（水蒸汽）、SO2、CH4、CO等三原子、多原子以及结构不对称的双原子气体具有相当大的辐射与吸收能力。,CO2和H2O是烟气中的主要辐射成分。,51,3 气体辐射O2、H2、N2等分子结构对称的双原子气体无发,3.1,气体辐射的特点,（1）气体的辐射和吸收对波长有选择性。,固体能发射和吸收全部波长范围的辐射能，而气体只能发射和吸收某些波长范围内的辐射能。,（2,）气体的辐射和吸收是在整个容器中进行,。,固体、液体的辐射和吸收在其表面进行。,（3）气体的R0，A+D1 。,与气体的温度,T,g,气层厚度,l,g,与气体分压,P,g,乘积有关,52,3.1气体辐射的特点 （1）气体的辐射和吸收对波长有选择性。,气体的发射能力：单位表面上、单位时间内的发射能力,式中：,Tg,-气体的温度；,P,-气体的分压。,l,-气体层的平均厚度。,l=3.6V/A式中：,V,-气体体积，m ；,A,-包围气体的固体表面积，m 。,53,气体的发射能力：单位表面上、单位时间内的发射能力,水蒸汽、CO,2,、SO,2,气的黑度,54,水蒸汽、CO2、SO2气的黑度54,CO,2,与H,2,O共存时的黑度,= + -,= + -,可把SO,2,的分压当作H,2,O的分压而计入中去,。,水蒸汽辐射的,修正系数,55,CO2与H2O共存时的黑度,（1）烟气与器壁间的辐射传热,器壁的有效黑度：,当,T,w,T,g,时，近似地采用A,g,g,w,0.8,3.3,气体与固体间的辐射传热,56,（1）烟气与器壁间的辐射传热 器壁的有效黑度：当TwTg,（2）烟气与被加热物料间的辐射传热,物料的有效黑度,：,57,（2）烟气与被加热物料间的辐射传热 物料的有效黑度 ：57,（3）,强化辐射传热的措施,A、适当提高烟气温度。,B、增大烟气与物料接触的表面积，提高物料的黑度；采用反射隔热罩，减少辐射热损失。,C、提高烟气的黑度 。,58,（3）强化辐射传热的措施 A、适当提高烟气温度。58,