热辐射-经典教案

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,*,6.5,热 辐 射,6.5,热 辐 射,6.5.1,热辐射的概念,6.5.2,固体辐射,6.5.3,物体间的辐射传热,6.5.4,气体辐射,6.5.1,热辐射的概念,任何物体，只要绝对温度不是零度，都会不停地以电磁波的形式向外界辐射能量。同时，又不断吸收来自其他物体的辐射能。,当物体向外界,辐射的能量,与其从外界,吸收的能量,不相等，该物体与外界就,产生热量的传递,。这种传递方式称为,热辐射,。,热辐射可以在,真空中,传播，不需要任何介质。,气体,热辐射与,液体、固体不同,，因为气体可以深入气体内部。,6.5,热 辐 射,6.5.2,固体辐射,黑体的辐射能力和吸收能力,斯蒂芬,-,波尔兹曼定律,实际物体的辐射能力和吸收能力,灰体的辐射能力和吸收能力,克希荷夫定律,6.5,热 辐 射,黑体的辐射能力和吸收能力,斯蒂芬,-,波尔兹曼定律,热辐射的波长范围,热辐射的波长位于,0.38,1000m,间，大部分能量集中于红外线区段，波长在,0.76,20m,范围内。,辐射能的反射、穿透和吸收,与光一样，辐射能可以反射、穿透和吸收，如图,6-28,所示。其能量间的关系为,Q =,Q,a,+,Q,r,+,Q,d,Q,a,、,Q,r,、,Q,d,与总能量,Q,的比值称该物体对投入辐射的,吸收率,a,、,反射率,r,和,穿透率,d,。则上式可写为：,a + r + d=1,6.5.2,固体辐射,图,6-28,辐射能的反射、穿透和吸收,黑体的辐射能力和吸收能力,斯蒂芬,-,波尔兹曼定律,固体、液体,穿透率为零,，,气体反射率为零,。,黑体,：吸收率等于,1,的物体称绝对黑体，简称黑体。实际物体可以接近黑体，但没有绝对黑体。,热透体,：穿透率等于,1,的物体。气体接近热透体。,镜面体,：反射率等于,1,的物体。镜子接近镜面体。,黑体的辐射能力即单位时间,单位黑体外表面积,向,外界辐射,的全部波长的总能量，服从,斯蒂芬,-,波尔兹曼定律,。,记,黑体的辐射能力和吸收能力,斯蒂芬,-,波尔兹曼定律,E,b,=,0,T,4,为了方便，将上式改变为：,0,为黑体辐射常数，,0,=5.6710,-8,W/,（,m,2,K,4,）。,C,0,为黑体辐射系数，,C,0,=5.67W/,（,m,2,K,4,）。,温度对辐射传热非常敏感。,记,(6-78),例,6-10,温度对物体辐射能力的影响,试计算表面温度为,0,和,546,时黑体的辐射能力，并进行比较。,解,：,0,辐射能力,546,时黑体的辐射能力,实际物体的辐射能力和吸收能力,实际物体的,辐射能力,E,恒,小于黑体的辐射能力,E,b,。实际上不同物体在相同温度下的辐射能和按,波长的分布规律,也不同。,黑度：实际物体的辐射能与相同温度下黑体的辐射能的比值，称物体的黑度，用,表示。,实际物体的辐射能力,E,可用下式表示：,6.5.2,固体辐射,记,实际物体的辐射能力和吸收能力,影响黑度的因素,：,与物体的,表面温度,、物体的,种类,和,表面状况,有关，只与,辐射物体本身,有关，,与外界无关,。常见物体的黑度见表,6-4,。,实际物体的吸收能力,：,黑体将投其上的辐射能全部吸收。实际物体对不同波长的辐射能呈现出一定的选择性，即对不同波长的,辐射能吸收程度不同,。图,6-29,为白瓷砖和玻璃对不同波长的辐射能的吸收能力。,表,6-4,常见材料表面的黑度,值,The end,图,6-29,白瓷砖和玻璃对不同波长,辐射能的吸收能力,灰体的辐射能力和吸收能力,克希荷夫定律,黑体对各种波长的辐射能全部吸收，但实际物体的吸收率与投入有波长有关，即物体对不同波长的辐射能有选择性的吸收。,对于波长在,0.76,20m,的辐射能，大多数材料的吸收率随波长的变化不大，把实际物体当作对各种波长辐射能均能,同样吸收的理想物体,，这种理想物体称为,灰体。,克希荷夫定律认为，同一灰体的,吸收率,与其,黑度,在数值上是相等的，即,=,。即对投入辐射能的吸收率可用其黑度表示。也可以用下式表示,E =,E,b,=,E,b,但灰体是理想化的处理，对工业辐射能的计算是可以的。如果是,太阳光,，物体对可见光呈现,强烈选择性,。,6.5.2,固体辐射,6.5.3,物体间的辐射传热,黑体间的辐射传热和角系数,灰体间的辐射传热,封闭体系辐射传热,大面积平板体系的辐射传热,内包物体的辐射传热,影响辐射传热的主要因素,辐射给热系数,6.5,热 辐 射,黑体间的辐射传热和角系数,图,6-30,为任意放置的两个黑体表面，其面积分别为,A,1,和,A,2,，表面温度分别为,T,1,和,T,2,不变。由图可见，黑体,1,向外辐射的能量只有一部分,Q,12,投射到黑体,2,并被吸收。同样黑体,2,向外辐射的能量只有一部分,Q,21,投射到黑体,1,并被吸收。,于是两黑体间传递的热流量为,Q,12,= Q,12,- Q,21,6.5.3,物体间的辐射传热,图,6-30,两黑体间的相互辐射,黑体间的辐射传热和角系数,根据蓝贝特定律,将上式简化为,称为黑体,1,对黑体,2,的,角系数,，其值为表面,1,的全部辐射能中，直接投射到黑体,2,的量所点人比例。,黑体间的辐射传热和角系数,角系数是一个纯几何因素，其值为,同理,黑体间的辐射传热和角系数,即,于是,黑体间的辐射传热和角系数,由于角系数的计算不方便，工业上把角系数绘成曲线，见图,6-31,和图,6-32,所示。如果两平板面积相等且很大，则角系数均为,1,。即,则,Q,12,= E,b1, E,b2,图,6-31,两平行平板间的角系数,图,6-32,两平行圆盘间的角系数,灰体间的辐射传热,设任意放置的两个灰体,1,和,2,，其面积分别为,A,1,和,A,2,，表面温度分别为,T,1,和,T,2,不变。两灰体表面的辐射能力和吸收率分别为,E,1,、,E,2,和,1,、,2,。,6.5.3,物体间的辐射传热,灰体间的辐射传热,灰体,1,单位时间内的辐射总能量为,A,1,E,1,，其中一部分 直射到灰体,2,上，其余散失。而投射到,2,的能量，部分吸收。,反射，其中 又投射到灰体,1,上。这一能量部分被灰体,1,吸收，而其余部分 再次被反射。同样被,1,反射的能量投射到,2,上部分吸收部分反射，如此过程不断进行，直到消弱。,灰体间的辐射传热,从灰体,2,辐射总能量为,A,2,E,2,，也经历了相同的过程。,单位时间单位面积离开灰体的总辐射能为,E,效,，单位时间单位面积投入灰体的总辐射能为,E,入,。物体有效辐射为灰体本身,E,和对投入辐射的反射部分，如图,6-33,所示。即为,E,效,= E +,（,1-,）,E,入,图,6-33,有效辐射示意图,灰体间的辐射传热,从图,6-33,平面,1,可见，灰体净损失的能量,Q/A,为,Q/A = E,E,入,稍离灰体表面,2,作能量衡算，则有,Q/A = E,效,E,入,从上式中消去,E,入,得,灰体间的辐射传热,这样灰体,1,和灰体,2,之间所交换的净能量为：,封闭体系辐射传热,如果考察的对象是由两个灰体组成的与外界无辐射能交换的封闭体系，则有,Q,12,= Q,1,= -Q,2,而,6.5.3,物体间的辐射传热,封闭体系辐射传热,或,其中,s,为系统黑度，由两物体的角系数及黑度组成。,大面积平板体系的辐射传热,对于两块相距很近而面积足够大的平行板， ，则,6.5.3,物体间的辐射传热,内包物体的辐射传热,对于如图,6-34,所示的内包系统，内包物体具有凸表面，,则,6.5.3,物体间的辐射传热,图,6-34,内包系统的辐射,内包物体的辐射传热,当,A,1,A,2,，相当于无限大平行平板计算。当表面积,A,2,远大于,A,1,，上式为,上式在计算时有实用意义，因为它不需要知道表面积,A,2,和黑度,2,即可进行传热计算。,常见的大房间,高温管道辐射传热,，,气体管道内热电偶测温,都属于这种情况。,6.5.3,物体间的辐射传热,例,6-11,热电偶的测温误差,用裸露的热电偶测得管内气体温度为,T,1,=927K,。已知管壁温度为,713 K,，热电偶表面的黑度,1,=0.3,，气体对热电偶的对流给热系数,=50W/(m,2,K),。试求管内气体的真实温度和测温误差。,如果采用遮热罩抽气式热电偶（图,6-35,），黑度,2,=0.3,，气体对热电偶的对流给热系数,=90W/(m,2,K),。则热电偶的指示温度。,图,6-35,例,6-11,符图,解,：,（,1,）因为,A,2,A,1,，在定态条件下，热电偶的辐射散热和气体对热电偶的对流传热相等：,T,g,=1082K,（,2,）设遮热罩表面温度为,T,2,，则气体传给遮热罩内外表面的传热速率为,解出,T,2,= 1009 K,。,热电偶对遮热罩辐射散热和气体对热电偶的对流传热相等：,解出热电偶的指示温度为,T,1,= 1045 K,。,影响辐射传热的主要因素,（,1,）,温度的影响,在低温下，温度的影响可不计；在高温下，温度的影响则不容忽视，甚至是主要的。,（,2,）,几何位置的影响,角系数对两物体辐射传热有重要影响，角系数决定两辐射表面的方位和距离，实际上决定一个表面对另一个表面的投射角。见图,6-36,所示。,（,3,）,表面黑度的影响,当物体的相对位置一定，系统黑度只与表面黑度有关。通过改变表面黑度的方法可以强化或减弱辐射传热。表面涂油漆或镀银、铝等。,（,4,）,辐射表面间的介质影响,两表面间的介质为气体，气体同样具有发射和吸收辐射能的能力，因此气体的存在必影响物体的辐射传热。,6.5.3,物体间的辐射传热,图,6-36,辐射的投射角,例,6-12,辐射传热遮热板的作用,室内有一高为,0.5m,、宽为,1m,的铸铁炉门，黑度,1,为,0.78,，表面温度为,600,，室温,27,。试计算：（,1,）炉门辐射传热的热流量；（,2,）若在炉门前很近距离平行放置一块同样大小的铝质遮热板，其黑度,2,为,0.15,，则沪门与遮热板的辐射热流量为多少。,解,：,（,1,）炉门被空气包围，即,A,1,/A,2,0,（,2,）设铝板温度为,T,3,，则铝板与炉门间的传热速率为,遮热板与四周墙壁间的传热为,在定态传热时，,Q,32,= Q,13,，求出,T,3,=733K,，,Q,13,=1193W,。,辐射给热系数,当辐射与对流同时存在的传热场合，常将辐射传热统一用牛顿冷却定律表示，辐射传热的给热系数为,6.5.3,物体间的辐射传热,辐射给热系数,对于化工设备或管道在大房间内散热时，,S,=,1,， 。当对流给热的温差也是（,T,1,-T,2,）时，则总热流密度为,q,t,= q,c,+,q,R,=,（,C,+,R,）（,T,1,-T,2,）,=,t,（,T,1,-T,2,）,例,6-13,对流与辐射联合给热的计算,外径为,0.3m,的过热蒸汽管横穿过大房间，已知管壁温度为,450,，管壁的黑度为,0.8,。若室内空气和墙壁的温度均为,50,，管壁和空气间的自然对流给热系数为,7.7W/,（,m,2,），试求单位管长的热损失。,解,：,已知,T,1,=723K,，,T,2,=323K,，,s,=1,，,=0.815.67(723,3,+723,2,323+723323,2,+323,3,)10,-8,=29.8 W/,（,m,2,）,单位管长的热损失为,Q/L =,d,t,（,T,1,-T,2,）,=3.140.3(7.7+29.8)(723-323),= 1. 4110,4,W/m,6.5.4,气体辐射,气体辐射和吸收对波长有强烈选择性,气体辐射是一个容积过程,6.5,热 辐 射,气体辐射,气体辐射也是工业中常见的现象。在加热炉中，高温气体与管壁或设备壁面之间的传热过程包括对流和辐射给热。如果温度较高，气体与固体壁间的辐射给热是不可忽略的。,对于气体，如果是对称的,双原子分子,，如,O,2,、,H,2,、,N,2,等,无辐射能力,也,无反射能力,。,不对称的双原子分子和多原子分子一般具有辐射能力和反射能力。,气体辐射和吸收对波长有强烈选择性,固体能够吸收和辐射各种波长的辐射能，但,气体,对各种波长的辐射能有,选择性的吸收和辐射,，因此,气体不能,作为,灰体,处理。,例如水，只能吸收和辐射波长为,2.55,2.84m,、,5.6,7.6m,、,12,30m,三个波长范围的辐射能。,气体的吸收能力与,气体本身,有关，还与外来,辐射能波长,有关。,气体的,吸收率,a,g,与,气体的黑度,g,不相等。但气体的,辐射能力,E,g,仍可用黑度,g,来表征。,6.5.4,气体辐射,气体辐射是一个容积过程,固体的吸收和辐射在表面上进行，辐射传热与表面积和表面特性有关。,由于,气体的穿透率不为零,，投射到气体内部的辐射能沿途被气体分子吸收。因此气体吸收和辐射是在整个容积上进行，其吸收和辐射能力与气体容积的大小和形状有关。如图,6-37,所示，,A,、,B,两点的辐射能力是不同的。,气体辐射,：单位时间单位气体表面向半球空间各方向所辐射的总能量。,由于气体的辐射能力与气体的容积、形状和位置有关，其辐射能力必与射线的行程有关，不同形状气体的平均射线行程列于表,6-5,。,如果没有平均射线行程，则可按下式计算：,L=3.6V/A V,为气体容积，,A,为气体外表面积。,6.5.4,气体辐射,图,6-37,不同部位气体的辐射,表,6-5,气体辐射的平均射线行程,图,6-38,为水蒸气的黑度曲线,气体辐射是一个容积过程,气体的辐射能力或黑度只与气体温度,T,g,和平均射线行程上具有辐射能力的气体分子数有关，而后者与该气体的分压,p,g,及平均射线行程,L,的乘积成正比。气体的黑度为,g,= f,（,T,g,，,p,g,L,）,气体黑度可由实验测定，图,6-38,为水蒸气的黑度曲线。,气体的吸收率,g,与外来辐射有关。对于指定的外来辐射，气体的吸收率也可表示为,g,= f,（,T,g,，,p,g,L,）,当气体的黑度和吸收率确定后，气体与黑体外壳的辐射热流密度为,