化工原理：5-5 辐射传热 (2)

1、1 第五章 传 热 5.5 辐射传热 5.5.1 基本概念和定律 2 辐射 辐射能 热辐射 热射线 物体以电磁波方式传递能量的过程 物体以电磁波方式传递的能量 因热的原因引起的电磁波辐射 波长0.40.8m的可见光线和 波长0.820 m的红外光线 概述 3 图5-18 辐射能的吸收、反射和透过 概述 透过 反 射 吸收 4 根据能量守恒定律，可得 ARD QQQQ 1 ARD QQQ QQQ 1 ARD 概述 5 A Q A Q R Q R Q D Q D Q 吸收率 反射率 透过率 量纲为一 量纲为一 量纲为一 概述 6 一、黑体、镜体、透热体和灰体 能透过全部辐射能的物体称为透热体。 黑

2、体 镜体 透热体 能全部吸收辐射能的物体称为黑体或 绝对黑体。 能全部反射辐射能的物体称为镜体或绝 对白体。 能够以相等的吸收率且部分地吸收所 有波长辐射能的物体称为灰体。 灰体 7 黑体 镜体 灰体 一般单原子气体和对称的 双原子气体（如He、O2、N2 和H2等）均可视为透热体 透热体 理想物体 一、黑体、镜体、透热体和灰体 8 二、物体的辐射能力E 辐射能力 物体在一定温度下，单位表面积，单位时 间内所发射的全部波长的辐射能，称为该物体 在该温度下的辐射能力。 E 单位为 W/m2 单色辐射能力E 单位为 W/m3 在相同条件下，物体发射特定波长的能力， 称为单色辐射能力。 9 dE E

3、 d 0 bb EE d 黑体辐射能力和单色辐射能力之间满足 黑体辐 射能力 黑体单 色辐射 能力 二、物体的辐射能力E 10 三、普朗克定律、斯蒂芬玻尔 兹曼定律及克希霍夫定律 1.普朗克（planck）定律 普朗克定律揭示了黑体的单色辐射能力随波 长变化的规律，其表达式为 2 5 1 / 1 b CT C E e 162 1 3.743 10W mC 2 2 1.4387 10 m KC 11 图5-19黑体的单色辐射能力随温度及波长的分布规律 三、普朗克定律、斯蒂芬玻尔 兹曼定律及克希霍夫定律 12 图5-19黑体的单色辐射能力随温度及波长的分布规律 三、普朗克定律、斯蒂芬玻尔 兹曼定律

4、及克希霍夫定律 13 2.斯蒂芬（Stefan）玻尔兹曼（Boltzman）定律 斯蒂芬玻尔兹曼定律揭示了黑体的辐射能 力与其表面温度的四次方成正比这一定量关系： 44 00( ) 100 b T ETC 82 0 5.67 10 W/(mK) 黑体的辐射常数 三、普朗克定律、斯蒂芬玻尔 兹曼定律及克希霍夫定律 14 3.克希霍夫（kirchhoff）定律 任何物体（灰体）的辐射能力与吸收率的 比值恒等于同温度下黑体的辐射能力，即仅和 物体的绝对温度有关。 44 0( )() 100100 TT EACC 0 CAC为灰体的辐射系数 三、普朗克定律、斯蒂芬玻尔 兹曼定律及克希霍夫定律 15 克

5、希霍夫定律揭示了物体的辐射能力与吸 收率之间的关系。对于实际物体，因A1，故实 际物体的辐射能力小于黑体的辐射能力。由此 可见，在任何温度下，黑体的辐射能力最大， 对于其它物体而言，物体的吸收率愈大，其辐 射能力也愈大。 三、普朗克定律、斯蒂芬玻尔 兹曼定律及克希霍夫定律 16 灰体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力 之比，定义为灰体的黑度，亦称为灰体的发射率。 黑度 b E E 三、普朗克定律、斯蒂芬玻尔 兹曼定律及克希霍夫定律 17 比较 44 0( )() 100100 TT EACC b E E A 在同一温度下，灰体的吸收率和黑度在数 值上相等 三、普朗克定律、斯蒂芬玻尔 兹曼定律及

6、克希霍夫定律 18 黑度和物体的性质、温度及表面情况 （如表面粗糙度及氧化程度）有关，一般由实 验测定，常用工业材料的黑度列于表5-9中。 三、普朗克定律、斯蒂芬玻尔 兹曼定律及克希霍夫定律 19 第五章 传 热 5.5 辐射传热 5.5.1 基本概念和定律 5.5.2 两固体间的辐射传热 20 两固体间的辐射传热 两灰体间辐射传热的结果，是高温物体向 低温物体传递了能量。 44 12 1 21 2 ()() 100100 TT QCS 几何因数 (角系数) 辐射面积 总辐射 系数 见表5-10 值与C1-2的计算式 021 C 01C 1 11 / 21 0 C 1 11 / 22 1 1

7、0 S S C 序号序号辐射情况辐射情况面积面积S S角系数角系数总辐射系数总辐射系数 1 1极大的两平行面极大的两平行面S S1 1或或S S2 21 1 2 2 面积有限的两相面积有限的两相 等的平行面等的平行面 S S1 111* * 3 3 很大的物体很大的物体2 2包住包住 物体物体1 1 S S1 11 1 4 4 物体物体2 2恰好包住物恰好包住物 体体1,S1,S1 1 S S2 2 S S1 11 1 5 5在在3,43,4两种情况间两种情况间S S1 11 1 1 11 / 21 0 C 物体1对着物体2的表面应是凸面或平面。 S1 S1 S2 S1 S2 S2 0 2 4

8、 6 0.4 0.8 狭长方狭长方 长方长方 正方正方 圆盘圆盘 辐射面间距离 边长或直径短 或 )( b d b l 例题 车间内有一扇车间内有一扇3 3 m的铸铁炉门，其温度的铸铁炉门，其温度 T1=227，室温室温T2=27。为减少炉门的热损失，在为减少炉门的热损失，在 门前门前50mm处放置一块与炉门同尺寸、处放置一块与炉门同尺寸、 =0.11的铝板，的铝板， 求放置铝板前后因辐射损失的热量。求放置铝板前后因辐射损失的热量。 解：解：放置铝板前放置铝板前，炉门被车间包住，炉门被车间包住(情况情况3)，炉门，炉门 向车间辐射的热量：向车间辐射的热量： 4 2 4 1 2121 10010

9、0 TT SCQ 放置铝板后，铝板用下标 i 表示 4 2 4 1 101 100100 1 TT SC 44 100 27327 100 273227 )33( 167. 578. 0 W 4 101653.2 4 2 4 02 100100 1 TT SCQ i iii 铝板向车间铝板向车间辐射的热量辐射的热量(情况情况3)： 炉门对铝板辐射的热量(情况1)： 44 100 27327 100 )33(167.511.0 i T 81100/6133.5 4 i T 44 1 1 21 01 100100 11 11 / i i TT SCQ 44 100100 273227 )33( 1

10、 1 11. 0 1 78. 0 1 67. 5 i T 100/625378.4 4 i T 传热达平衡时，Q1-i = Qi-2 81100/6133.5100/625378.4 44 ii TT Ti = 422.75 K WQ i 2 .1338100/75.422625378. 4 4 1 %8 .93%100 21653 2 .133821653 %100 21 121 Q QQ i 减少的损失减少的损失%： 若将铝板放在距炉门0.5m处，减少的损失？ 此时炉门的辐射热有此时炉门的辐射热有28%的辐射热散失在车间里的辐射热散失在车间里： 100/ 625378.4 4 1ii TQ

11、 100/ 625152.3 4 i T Q1-i = Qi-2 Ti = 407.83K WQ i 1 .1098100/83.407625152. 3 4 1 WQQ8 .60622165328. 028. 0 2121 %93.66%100 21653 6063109821653 %100 21 21121 Q QQQ i 100/ 62572. 0378. 4 4 i T 铝板放在距炉门铝板放在距炉门50mm处比放在处比放在0.5m 处，减处，减 少的辐射散热损失由少的辐射散热损失由93.8%降低到降低到66.93% 28 第五章 传 热 5.6 换热器 5.6.1 间壁式换热器的结构

12、形式 29 一、管式换热器的结构形式 管壳式换热器 蛇管式换热器 套管式换热器 翘片管式换热器 管式换热器 30 一、管式换热器的结构形式 1.管壳式换热器 固定管板式换热器 浮头式换热器 U型管式换热器 管壳式换热器 31 图5-21固定管板式换热器 一、管式换热器的结构形式 32 图5-22 浮头式换热器 一、管式换热器的结构形式 33 图5-23 U型管式换热器 一、管式换热器的结构形式 34 管束与管板 35 管板及管束排列方式 36 二、板式换热器的结构形式 平板式换热器 螺旋板式换热器 板翘式换热器 热板式换热器 板式换热器 37 平板式换热器 38 螺旋板式换热器 39 翅片式换

13、热器 n适用于两流体的对流传 热系数相差较大时，可 增加传热面积，减小控 制性热阻。 40 传热面积大，结构 紧凑， 牢固， 适用面广； 易堵塞，清洗困难 板翘式换热器 41 三、特殊形式换热器 回旋式换热器 热管换热器 同流式换热器 特殊结构的换热器 42 热管换热器 43 第五章 传 热 5.6 换热器 5.6.1 间壁式换热器的结构形式 5.6.2 换热器传热过程的强化 44 在设备投资及输送功耗一定的条件下，获得 较大的传热量，从而增大设备容量，提高劳动生 产率；在设备容量不变的情况下使其结构更加紧 凑，减少占地空间，节约材料，降低成本；在某 种特定技术过程使某些工艺特殊要求得以实施等

14、。 强化传热 力求使换热器在单位时间内、单位传热面积 传递的热量尽可能增多。 强化传热的意义 概述 45 强化传热的途径 Tm QKS t 概述 增大, , m K St 均可增加 T Q，以强化传热。 46 一、增大传热面积 改进传热面的结构来提高单位体积的传热 面积，而非靠增大换热器的尺寸。如： （1）翅化面（肋化面） （2）异形表面 （3）多孔物质结构 （5）采用小直径管 47 二、增大平均温度差 提高加热介质温度或降低冷却介质的温度 采用逆流操作 增加管壳式换热器的壳程数 48 三、增大总传热系数 1 1 ooo siso iimoi K ddbd RR ddd 减少热阻的主要方法有： （1）提高流体的速度 （2）加大流体的扰动 （3）采用短管换热器 （4）防止结垢和及时除垢 49 第五章 传 热 5.6 换热器 5.6.1 间壁式换热器的结构形式 5.6.2