材料制备传输原理：第八章 辐射换热

1、第二篇 热量传输,第八章 辐射换热,主 要 内 容,8.1 热辐射基础 8.2 热辐射的工程应用 8.3 综合传热 8.4 辐射换热计算例题,8.1 热辐射基础,本节主要内容： 一、热辐射的基本概念 二、普朗克定律和四次方定律 三、实际物体的吸收特性和基尔霍夫定律,一、 热辐射的基本概念,1 电磁波及其分类 辐射是电磁波传递能量的现象。电磁波的波长范围很广，从10-14米的宇宙射线到长达数百米的无线电波,一切温度高于绝对0度的物体都在向外辐射电磁波,落在物体上能明显产生热效应的电磁波称为热射线,2 热射线,工业热射线（温度2000K）0.7620m 太阳热射线（温度5800K） 0.1100m

2、（其中可见光0.380.76m,热射线定义为0.1100m的电磁波。 其中： 0.1- 0.38 紫外线 0.38-0.76 可见光 0.76-100 红外线,一、 热辐射的基本概念,3 热辐射和辐射换热 热辐射：是物体向外辐射热射线的过程。 辐射换热：是两个或两个以上的物体表面通过热辐射的形式交换热量的过程。 辐射换热的特点： 不需要介质； 伴随能量形式的转换； 物体存在温差时，高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量,一、 热辐射的基本概念,4 物体表面对热射线的反射、透射和吸收现象,黑体、白体和透明体 当热射线投射到物体表面上，会发生反射、透射和吸收,一、 热辐射的基

3、本概念,黑体、白体、透热体都是理想化的物体，但工程中有些物体接近这些理想化的物体，且与颜色无关。如： 煤烟、白雪等 =0.98， 高度抛光的金属， =0.98 ， 对于大部分气体，= 0 ，+= 1,善于吸收的，就不善于反射； 善于反射的，就不善于吸收,一、 热辐射的基本概念,大部分工程材料,物体表面的反射,镜反射,漫反射,镜反射：物体表面十分光滑。如高度抛光的金属表面。 漫反射：物体表面粗糙，当粗糙度大于波长时。如大部分工程材料,一、 热辐射的基本概念,5 人工黑体模型,投射热,反射热,一、 热辐射的基本概念,温度均匀，不透过热射线的空心壁,当小孔面积与空腔内壁面积比小于0.6%，空腔内壁的

4、吸收率为0.8%时，小孔的吸收率大于99.8%，非常接近黑体,6 辐射力的概念 辐射力E ：单位时间内，物体单位表面积向空间辐射出的全部波长（0-）范围的能量。（单位 ：w / ） 单色辐射力 E ：单位时间内，物体单位面积向空间辐射出的某特定波长的能量。 （单位： w/（ m） 辐射力与单色辐射力之间的关系,一、 热辐射的基本概念,二、 普朗克定律和四次方定律,1 普朗克定律,式中: ： 波长 (m) ； T：绝对温度 K C1 ：第一常数， C1=3.74310-16 （Wm2） C2 ：第二常数，C2 = 1.438710 -2 （Km,分析曲线得： 同温度下，波长不同，单色辐射力大小不

5、同。 随温度的升高，黑体单色辐射力和辐射力迅速增加。 每一条曲线都有一峰值。温度升高峰值向短波长方向移动,2 维恩定理： 将普朗克定律对波长求导数，并令其为零 即： d Eb / d=0,维恩定理表明：最大单色辐射力所对应的波长与黑体表面温度的乘积为一常数,maxT =2.8976 10-3 （mK,二、 普朗克定律和四次方定律,维恩定理的应用： 已知表面温度求最大辐射力的波长； 已知最大辐射力的波长求解表面温度。 例1：确定温度分别为2000K、290K和5800K时黑体最大单色辐射力所对应的波长： max=2. 8976 10-3 /2000=1.45 m max=2. 8976 10-3

6、 /290=10 m max=2. 8976 10-3 /5800=0.5 m,500,600,850,1000,1300,例2：钢坯在加热过程中颜色的变化,二、 普朗克定律和四次方定律,3 斯蒂芬波尔茨曼定律,式中：0：斯蒂芬波尔茨曼常数， 0 = 5.6710-8 w/(K4,通常，将斯蒂芬波尔茨曼定律表示为,式中： Cb =5.67 w/( K4)，称为黑体的辐射系数,定律表明：黑体的辐射力与其表面开氏温度的四次方成正比,二、 普朗克定律和四次方定律,三、实际物体的吸收特性和基尔霍夫定律,1 实际物体的吸收特性 实际物体的吸收比和两个因素有关： 物体本身的情况：种类、表面温度。 辐射的特

7、性,物体对透射能的波长具有选择性,如：暖房、焊接护镜、物体的颜色,物体对透射能的选择性吸收给工程计算带来了极大的不便,2 灰体的概念 如果物体的辐射光谱是连续的，光谱曲线与黑体的光谱曲线相似，而且它的单色辐射力E与同温度、同波长下黑体的单色辐射力Eb之比为定值，并且与波长和温度无关，即,这种物体被定义为灰体,三、实际物体的吸收特性和基尔霍夫定律,3 基尔霍夫定律 考虑物体的能量收支差额,若黑体和物体的温度相等，则两者处于热平衡状态，此时,即,或,基尔霍夫定律说明： 热平衡状态下，任何物体的辐射力和其吸收比之比恒等于同温度下黑体的辐射力,若为灰体，有,三、实际物体的吸收特性和基尔霍夫定律,4 黑

8、度(辐射率)的概念： 由于所有物体的吸收比都小于黑体的吸收比（b1），则由基尔霍夫定律可知，同温度下黑体的辐射能力最大。 黑度表征物体辐射能力的大小，即,比较基尔霍夫定律 ，即,有,该式表明：善于吸收的就善于辐射,三、实际物体的吸收特性和基尔霍夫定律,5 实际物体的辐射力E 由基尔霍夫定律,得,三、实际物体的吸收特性和基尔霍夫定律,宇宙射线,所谓宇宙射线，指的是来自于宇宙中的一种具有相当大能量的带电粒子流。1912年，德国科学家韦克多汉斯带着电离室在乘气球升空测定空气电离度的实验中，发现电离室内的电流随海拔升高而变大，从而认定电流是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的，于是有人为之取名为

9、“宇宙射线,三、实际物体的吸收特性和基尔霍夫定律,红外线infrared ray,红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由德国科学家霍胥尔于1800年发现，又称为红外热辐射,他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。因此得到结论：太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。也可以当作传输之媒界。 太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.751000m。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.751.50m之间；中红外线，波长为1.506.0m之间；远红外线，波长为6.0

10、l000m 之间,三、实际物体的吸收特性和基尔霍夫定律,8.2 热辐射的工程应用,主要内容： 1.角系数的概念 2.两物体表面的辐射换热计算 3.隔热屏（遮热板）的作用 4.气体与固体间的辐射换热,1 角系数的概念,定义：1表面辐射出去的能量落在2表面上的百分数，称为1表面对2表面的角系数，记为12,分母中包含两部分（有效辐射） ： 一部分是自身辐射， 另一部分是反射辐射（由于物体表面对辐射能的反射作用而产生的反射角等于入射角的外向辐射能量,a,b,c,角系数的性质,1 角系数的概念,角系数只决定于两个换热表面的形状、大小以及两者间的相互位置、距离等几何因素，而与它们的温度、黑度无关,1 角系

11、数的概念,几种封闭体系内角系数值： 两个距离很近的平行大平面，如图a，这时，12=1 21=1 两个很大的同轴圆柱表面，如图b，它相当于长轴在井式炉内加热时的情况，这时， 21=1 12=A2/A1 一个平面和一个曲面，如图c，它相当于平板在马弗炉内加热时的情况，21=1 12=A2/A1,2 两物体表面的辐射换热计算,封闭体系内两个大平面间的辐射换热 设有两个相互平行、相距又很近的大平面，面积为A1=A2=A（如图a），各自的表面温度均匀，并保持恒定，其表面温度分别为T1、T2，并且T1T2。两平面间的介质为透明体。如A1面辐射出的能量为Q1，全部投到A2面并全部被吸收，同时A2面辐射出的能

12、量为Q2，也全部投到A1面并全部吸收。因T1T2，A1面辐射给A2面的热量较多，最终面能获得的能量等于两个面所辐射出的能量之差，即 Q12=Q1 - Q2 或,2 两物体表面的辐射换热计算,如果两平面都是灰体，如图（b）所示辐射，辐射热交换过程较为复杂，经数学方法导出A1面辐射给A2面的热量为 式中 C导导出辐射系数 C1A1面的灰体辐射系数 C2A2面的灰体辐射系数,b,C1,C2,将 带入上式有 式中 1物体1的黑度 2物体2的黑度,2 两物体表面的辐射换热计算,2 两物体表面的辐射换热计算,在实际情况下，辐射面的形状、大小和相互位置是多样的，辐射热交换不仅与两面的温度和黑度有关，而且还与

13、它们间的角系数有关。因此，在封闭体系内，任意辐射面的热交换的计算公式为 式中 也可以写成 又因为两个辐射面为相互平行的等面积的大平面，所以 ，所以上式变成,3 隔热屏（遮热板）的作用,遮热板只起增加热阻的作用，并不对系统加入或移走热量。 设图中三面的面积相等，且稳态辐射换热，则,有遮热板时,当体系达到了稳定状态时，Q13=Q32 又因13=32，所以有,所以，有 两个辐射面之间放置了隔板，若导出辐射系数不变，则辐射能量减少 一半，如放置了n个隔板，同理可以证明交换能量为原有的 即 式中 Qn 放置n层隔板时的辐射能 Q 未放置隔板时的辐射能,3 隔热屏（遮热板）的作用,1,4 气体与固体间的辐

14、射换热,气体的辐射与吸收特性（与分子结构有关） 三原子和多原子气体的辐射和吸收能力较大：CO2、 H2O、 SO2、 CH4、 NH3 气体对热射线的辐射和吸收具有明显的选择性。如CO2的光带主要为2.65 2.80m、4.15 4.45m、13.0 17.0m 气体没有反射能力，只能吸收和透射。且其吸收具有容积性。 单原子和同种原子组成的双原子对称结构的气体，其辐射和吸收能力可以忽略，认为是透热体,气体的辐射力和黑度 实验证实，气体的辐射不遵守四次方定律。但为方便，仍写成四次方的形式，而将其偏差记入黑度中,4 气体与固体间的辐射换热,火焰辐射 火焰可分为辉焰和暗焰。 a.暗焰 物体完全燃烧后

15、形成的气体称为暗焰。主要成分为H2O和CO2。其辐射光谱中没有可见光的成分，黑度较小，一般为0.150.3。 辉焰 若火焰中含有固体燃烧颗粒或热分解产生的小碳粒，它们的辐射光谱是连续的，有可见光射线，亮度较大。其辐射能力高于暗焰，黑度一般为0.20.4,4 气体与固体间的辐射换热,气体与固体间的辐射换热计算 炉子或通道内的气体与空间壁面之间的辐射换热量,4 气体与固体间的辐射换热,复习： 导热计算 傅立叶定律： 导热微分方程； 稳态温度场中的平壁和圆筒壁导热计算,对流换热计算 牛顿换热公式 换热系数的确定,辐射换热计算 四次方定律： 灰体辐射换热计算公式,8.3 综合传热,本节主要内容,综合传

16、热的概念 复合换热 传热过程 传热过程的计算 通过平壁的传热 通过圆筒壁的传热 传热过程的增强和削弱,实际工程传热问题中，不同传热现象常常同时存在，此时必须考虑它们的综合传热效果。本节的任务就是利用所学传热知识对综合传热问题进行分析求解,1 综合传热的概念,1）综合传热的概念：指两种以上的传热方式同时存在的传热现象,2）复合换热在物体同一表面上，若同时存在对流换热和辐射换热现象时，称为复合换热。复合换热总是发生在气体和固体壁面之间。 复合换热热流量为,铸件散热示意图,1 综合传热的概念,复合换热过程可以简化： 温度较高、空气流动明显时，应当同时考虑辐射换热和对流换热。如在装有风扇的中温电阻炉或

17、燃气炉中、冲天炉中。 温度较高、空气流动不明显时。辐射换热量几乎站整个换热量的90以上。可以忽略对流换热。如在中、高温电阻炉和真空炉中 温度不太高时可以忽略辐射换热。如在低温空气循环电阻炉、盐浴炉内,1 综合传热的概念,盐浴炉,真空电阻炉,2 传热过程的分析和计算,1）通过平壁炉墙的传热计算,a.单层平壁传热过程分析,三个串联传热步骤的热流量分别为,Q,对三式整理、两端相加后整理得,则有热阻和传热系数分别为,对比,2 传热过程的分析和计算,Tf2,若为多层平壁，则热流量为,其中传热系数为,热流密度为,2 传热过程的分析和计算,2）通过圆筒壁的传热过程计算,热流量,单位长度上的热流量,2 传热过

18、程的分析和计算,Tf2,多层圆筒壁传热计算就不难理解了,注意：此时传热系数 K 的定义,2 传热过程的分析和计算,如何增强和削弱传热是工程上经常遇到的问题，是一个问题的两个方面。 增强传热 通常是指采取措施，增加换热设备单位面积上的传热量，以达到缩小换热设备体积、减轻换热设备重量的目的。 由传热公式QKA（Tf1-Tf1 ）可以看出，要提高传热量Q，可以通过三个途径： 增加传热面积； 提高传热温差； 增大传热系数,3 传热过程的增强和削弱,增加传热面积 合理提高热设备单位体积传热面积，如壁面加肋以及工程上采用的筋片管、波纹管等，都可以达到使换热设备既紧凑又高效的目的,3 传热过程的增强和削弱,

19、提高传热温差 提高传热温差的途径有两条： A、提高热流体温度和降低冷流体温度。 如：在热水采暖系统中提高热水温度； 水冷金属型铸造中降低通入金属型水套内冷水的温度等。 B、换热面两侧流体的相对流动采用逆流方向也可以降低温差,3 传热过程的增强和削弱,增大传热系数 当受到工艺和设备条件的限制，传热面积和传热温差都不能改变时，便可设法增加传热系数K，以减小热阻。 以平壁传热为例，传热系数为,对换热设备来说，可以略去金属壁导热热阻，则上式可以简化为,可见，增大壁面两侧的换热系数就可以增大传热系数K值,增大哪一个h值更加有效？ 如何增大h值,3 传热过程的增强和削弱,增大哪一个h值更加有效？ 一壁面两

20、侧换热系数分别为 h11000W/(m2)、h2=10 W/(m2) 。则其传热系数为,若将h1增大1倍，则有,若将h2增大1倍，则有,是K的1.005倍,是K的1.98倍,所以，提高热阻较大一侧的换热系数可以更有效地提高传热系数K,3 传热过程的增强和削弱,如何提高热阻较大一侧的换热系数？ 改变换热表面的情况，使表面粗糙：加筋片、波纹、异形管。如汽车发动机水箱管外的散热片、冲天炉密筋炉胆里的筋片、金属型外壁面加散热筋等。 改变流体的流动情况， 增加流体的流速：增加湍流程度，减小层流底层厚度，从而减小热阻。流速增加会使阻力增加，耗能剧烈，要通过技术经济指标比较。 改变流体的性质， 因为流体物性影响换热系数。一般导热系数大的流体，换热强烈。水与壁面换热系数一般为20012000 W/(m2) ，而空气只有160 W/(m2) 。在流体中加入一些固体颗粒可以增加导热系数，又可以增加湍流程度。 及时清理表面上的烟灰和油垢。1mm的水垢层约与40mm的钢板的热阻相当,3 传热过程的增强和削弱,在铸件生产中增强传热的措施： 将普通金属型改为水冷式，既缩短开型时间，又提高铸件质量； 砂型铸造大型铸件时，可埋设管道，浇铸后通空气、水、或其他冷却剂。 在铸件较厚部位加放冷铁，以改变热阻，达到控制传热的目的,水冷金属型离心铸管机,3 传热过程的增强和削弱,8.4 辐射换热计算例题,要解决实际