热辐射原理及计算

1、热辐射热辐射 Heat Radiation Keywords: Radiation heat transfer, Emissivity,Absorptivity, Reflectivity, Transmissivity, Pranck law, Stefan-Boltamann law, Kirchhoff law 主要内容： 热辐射的基本概念、基本定律；热辐射的基本概念、基本定律； 辐射传热计算的基本方法。辐射传热计算的基本方法。 作业：练习题作业：练习题4-12, 4-13 1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 热辐射机理的定性描述：热辐射机理的定性描述： 物体受热后物体受热后其中某些原

2、子其中某些原子or 分子分子“激发态激发态”，从，从激激 发态发态 低能态低能态能量就以电磁波辐射的形式发射出来。能量就以电磁波辐射的形式发射出来。 热射线热射线 可见光线可见光线(波长：波长：0.40.8mT，热效应明显，热效应明显) 红外光线红外光线(波长：波长：0.820 m多数具有实际意义多数具有实际意义 热辐射波长热辐射波长决定作用决定作用) 自发自发 物体因热的原因，对外以电磁波形式向外发出辐射能物体因热的原因，对外以电磁波形式向外发出辐射能 吸收吸收热能。热能。 (1) (1) 热辐射热辐射 (T，热辐射，热辐射) (2)(2)热辐射对物体的热辐射对物体的作用作用A、R、D 被吸

3、收被吸收QA； 被反射被反射QR； 穿透物体穿透物体QD。 热射线的特点：热射线的特点： 在均质介质中在均质介质中直线传播；直线传播； 在在真空真空、多数气体中、多数气体中完全透过；完全透过； 在工业上常见的多数固体在工业上常见的多数固体or液体中液体中不能透过。不能透过。 与可见光一样，服从反射与折射定律。与可见光一样，服从反射与折射定律。 当热辐射的能量投射在某一物体上时，其总能量当热辐射的能量投射在某一物体上时，其总能量Q： DRA QQQQ 1 Q Q Q Q Q Q DRA 1DRA QQD QQR QQA D R A / / / 理想物体，作为实际物体一种理想物体，作为实际物体一种

4、比较标准比较标准简化辐射传热计算。简化辐射传热计算。 黑体、镜体、透过体、灰体黑体、镜体、透过体、灰体 黑体黑体(绝对黑体绝对黑体)：A=1，R=D=0辐射与吸收能力辐射与吸收能力max， 在热辐射的分析与计算中具有特殊重要性。在热辐射的分析与计算中具有特殊重要性。 镜体镜体(绝对白体绝对白体)：R=1，A=D=0； 能全部反射辐射能，且入射角等于反射角能全部反射辐射能，且入射角等于反射角(正常反射正常反射)。 透过体透过体(绝对透过体绝对透过体)：D=1，A=R=0；能透过全部辐射能的物体。；能透过全部辐射能的物体。 实际上：实际上： 对对 无光泽的黑体表面，无光泽的黑体表面，A=0.960

5、.98接近黑体；接近黑体； 磨光的铜表面，磨光的铜表面，R=0.97近似镜体；近似镜体； 单原子单原子or对称双原子气体，对称双原子气体，D视为透过体。视为透过体。 物体的性质；物体的性质； 表面状况；表面状况； 温度；温度； 投射辐射线的波长。投射辐射线的波长。 物体的物体的A、R、D其大小取决于：其大小取决于： 灰体灰体能以能以相同吸收率相同吸收率吸收吸收所有波长所有波长范围辐射能的物体；范围辐射能的物体； A与辐射线波长无关，即物体对投入辐射的吸收与辐射线波长无关，即物体对投入辐射的吸收 率与外界无关；率与外界无关； 不透过体，不透过体，A+R=1 工业上常见固体材料工业上常见固体材料(

6、0.4 20 m)。 特点：特点： (3) 辐射传热辐射传热 物体之间物体之间相互辐射与吸收辐射能相互辐射与吸收辐射能的传热过程。的传热过程。 物体在一定温度下，单位时间、单位表面积所发出物体在一定温度下，单位时间、单位表面积所发出 全部波长的总能量。全部波长的总能量。 E（J/m2s，即，即W/m2） d dEE E 0 lim dEE 0 2 固体的辐射能力 表征固体发射辐射能的本领表征固体发射辐射能的本领 单色辐射能力单色辐射能力：在一定温度下，物体发射：在一定温度下，物体发射某种波某种波 长长的能力，记作：的能力，记作：E(W/m3) 定义：定义： (1) Planck law 黑体的

7、黑体的单色辐射能力单色辐射能力E Eb b 随波长 随波长、温度、温度T T的变化规律的变化规律 对应于每一温度对应于每一温度T均为一条能量分布曲线；均为一条能量分布曲线； 0, ; ; 0, 0 max, b bbb b E EEE E ),( 1 / 5 1 2 Tf e C E TC b 式中：式中： Eb黑体的单色辐射能力，黑体的单色辐射能力，W/m2； T 黑体的绝对温度，黑体的绝对温度，K； C1 常数，其值为常数，其值为3.74310-16，Wm2； C2 常数，其值为常数，其值为1.438710-2，mK。 Eb T3 T2 T1 123 TTT 从从图中图中可见：可见： 紫外

8、灾难紫外灾难 T ，Eb， ，max移向波长较短的方向 移向波长较短的方向 等温线下的面积等温线下的面积黑体的辐射能力黑体的辐射能力Eb 另外：另外： 3 2.910 m T 由于地表温度和太阳表面温度的差异，使由于地表温度和太阳表面温度的差异，使 得二者辐射波长不同，又由于大气层中的得二者辐射波长不同，又由于大气层中的 CO2吸收地球辐射波，导致吸收地球辐射波，导致温室效应温室效应。 (2) Stefan-Boltzmann law( (四次方定律四次方定律) ) )( 1 0 5 1 0 2 Tfd e C dEE T C bb 42 0 428 0 4 0 4 0 /67.5 /1067

9、.5 100 KmWC KmW T CTE b 4 TE b 黑体的辐射系数黑体的辐射系数 由四次方定律：由四次方定律：Eb对对T敏感，敏感，T，热辐射起主导作用。，热辐射起主导作用。 黑体黑体辐射能力辐射能力Eb与与T 间的关系间的关系 (3) 灰体的辐射能力灰体的辐射能力E 4 100 T CE 4 0 100 T CEE b ：是物体本身的特性是物体本身的特性 物体的性质；物体的性质； 温度；温度； 表面状况表面状况(表面粗糙度、氧化程度表面粗糙度、氧化程度)。 由实验测定由实验测定 将将Stefan-Boltamann law用于灰体：用于灰体： 物体的黑度物体的黑度 为为 同温度下同

10、温度下灰体与黑体的辐射能力之比，即灰体与黑体的辐射能力之比，即 =E/Eb C：灰体辐射系数；：灰体辐射系数； 定义定义： 灰体辐射能力与吸收能力间灰体辐射能力与吸收能力间(EA)的关系的关系 任何灰体的辐射能力与吸收率之比恒等于任何灰体的辐射能力与吸收率之比恒等于同一温同一温 度下度下绝对黑体的辐射能力。绝对黑体的辐射能力。 TfE A E A E b 2 2 1 1 数学表达式：数学表达式： A (4) Kirchhoff law 即：即： 或：或：同一灰体吸收率与其黑度在 同一灰体吸收率与其黑度在数值数值上必相等。上必相等。 AE 两无限大的平行平壁两无限大的平行平壁两壁面间距离两壁面间

11、距离壁面尺寸；壁面尺寸； 其中一壁面其中一壁面1灰体灰体T1、E1、A1T2，两壁面间为透热体，两壁面间为透热体(D=1)，系统对外绝热。，系统对外绝热。 对壁面对壁面1，辐射传热的结果即两壁面辐射传热的热通量，辐射传热的结果即两壁面辐射传热的热通量q为：为： Eb E1 A1Eb b EAEq 11 当两壁面达到热平衡时，当两壁面达到热平衡时，T1=T2 q=0 E1=A1Eb E1/A1=Eb 推广到任意灰体，有：推广到任意灰体，有： TfE A E A E b 2 2 1 1 A1，EEb 且且 A= Kirchhoff law推导过程：推导过程： Kirchhoff law推导的推导的

12、假设条件：假设条件： 3 物体间的辐射传热 讨论两灰体间的辐射传热 (1) 两灰体间辐射传热过程的复杂性两灰体间辐射传热过程的复杂性(与灰体与灰体黑体间辐射传热对比黑体间辐射传热对比) 因灰体因灰体AA1，则：，则： 0121 CC 两大平行板两大平行板 1 11 0 .1 21 0 21 21 C C 若为有限面积若为有限面积A1平行面：平行面： 02121 21 0.1 CC 物体物体2恰好包住物体恰好包住物体1(A2A1)： 1 11 0.1 21 0 21 21 C C 4 影响辐射传热的主要因素 辐射传热量正比于辐射传热量正比于温度的四次方之差温度的四次方之差 同样同样T，在高温时辐

13、射，在高温时辐射 传热量传热量； 如：如：T1=720K，T2=700K与与T1=120K，T2=100K两者温差相同，但两者温差相同，但 在其它条件相同时，热流量相差在其它条件相同时，热流量相差240多倍多倍 高温传热时，热辐高温传热时，热辐 射占主要地位射占主要地位； (1) 温度温度 为削弱物体表面间辐射传热，常在换热表面间插入薄板为削弱物体表面间辐射传热，常在换热表面间插入薄板 遮热板遮热板阻挡辐射传热。阻挡辐射传热。 两辐射表面的形状与大小、方位与距离两辐射表面的形状与大小、方位与距离 一表面对另一表面的一表面对另一表面的 投射角投射角； (2) 几何位置几何位置 (3) 表面黑度表

14、面黑度 通过改变表面黑度的方法强化or削弱辐射传热。 (4) 辐射表面间介质的影响辐射表面间介质的影响 例：计算遮热板的作用。例：计算遮热板的作用。 某车间内有一高度为某车间内有一高度为0.7m，宽，宽1m的铸铁炉门的铸铁炉门(已氧化已氧化)，表面温度，表面温度450，室，室 温为温为27。为减少炉门的辐射散热，在距炉门。为减少炉门的辐射散热，在距炉门35mm处放置一块与炉门大小处放置一块与炉门大小 相同的铝制遮热板相同的铝制遮热板(已氧化已氧化)，试计算放置遮热板前、后炉门因辐射而散失的，试计算放置遮热板前、后炉门因辐射而散失的 热量。热量。(铸铁铸铁1=0.75， 铝铝3=0.15) 解：

15、解：放遮热板前，炉门为四周所包围，则有放遮热板前，炉门为四周所包围，则有： KTKTAACC300,723,0.1 211012121 W TT ACQ7893 100100 4 2 4 1 10121 放遮热板后，因炉门与遮热板间距离小放遮热板后，因炉门与遮热板间距离小两者之间辐两者之间辐 射传热视为两无限大平壁间的相互辐射，则有：射传热视为两无限大平壁间的相互辐射，则有： 1/1/1 ,0.1 31 0 3131 C C 设铝板温度设铝板温度T3，则有：，则有： 4 3 4 1 1 31 0 31 1001001/1/1 TT A C Q 遮热板与四周的散热量遮热板与四周的散热量Q3-2为

16、：为： 4 2 4 3 30323 100100 TT ACQ 稳态传热，稳态传热，Q1-3=Q3-2 T3=609K Q1-3 =770W 放置铝板后炉门的辐射热损失减少的百分率为：放置铝板后炉门的辐射热损失减少的百分率为： %2.90 7893 7707893 21 3121 Q QQ 设置遮热板设置遮热板是减少辐射散热有效方法，且遮热板是减少辐射散热有效方法，且遮热板 ，遮热板数遮热板数，热损失，热损失。 例：热电偶的测温误差。例：热电偶的测温误差。 裸露热电偶裸露热电偶测得管道内高温气体测得管道内高温气体T1=923K。 已知：管壁已知：管壁TW=440，热电偶表面，热电偶表面1=0.

17、3，高温气体对热电偶表面高温气体对热电偶表面 1=50W/m2， 试求：管内气体真实温度试求：管内气体真实温度Tg及热电偶测温误差；及热电偶测温误差； 若采用单层遮热罩若采用单层遮热罩(2=0.3)抽气式热电偶，抽气式热电偶， 2=90W/m2(抽气抽气)， 试求：热电偶的指示温度试求：热电偶的指示温度T1。 TW Tg T2T1 解：解： 裸露热电偶裸露热电偶稳态传热：稳态传热： 热电偶与管壁辐射散热热电偶与管壁辐射散热=气体对热电偶表面对流传热气体对热电偶表面对流传热 K TTC TT TT CTTq CC A A W g W g 1082 100100 100100 0 .1,0 44

18、1 1 01 1 44 1 0111 210121 2 1 绝对误差绝对误差159K； 相对误差相对误差14.7% 气体对遮热罩表面对流传热速率气体对遮热罩表面对流传热速率=遮热罩与管壁辐射散热速率遮热罩与管壁辐射散热速率 气体对热电偶表面对流传热速率气体对热电偶表面对流传热速率=遮热罩与热电偶辐射遮热罩与热电偶辐射散热速率散热速率 KT TT CTT KT TT CTT g W g 1045 100100 1009 100100 2 1 4 2 4 1 0112 2 44 2 0222 绝对误差绝对误差37K；相对误差；相对误差3.4% 采用采用遮热遮热罩抽气式热电偶使罩抽气式热电偶使测温精

19、度测温精度。 加遮热罩，稳态传热条件下：加遮热罩，稳态传热条件下： 5 对流与辐射的联合传热对流与辐射的联合传热 管道、设备热损失的计算管道、设备热损失的计算 当管道当管道or设备外壁温度设备外壁温度TW T环境 环境 Q损失损失= Q对流对流 + Q辐射辐射 (1) 对流传热热损失对流传热热损失QCTTAQ WWCC (2) 辐射传热热损失辐射传热热损失QR TTA TT ACQ WWR W WR 44 2121 100100 TT TT C W W R 44 21 21 100100 0 . 1 (4) T的估算的估算 ( (有保温层设备、管道外热损失有保温层设备、管道外热损失) ) 1) 空气空气u5m/s u T 2 . 42 . 6 2) 空气空气u5m/s 78. 0 8 . 7 u T 空气沿粗糙壁面强制对流空气沿粗糙壁面强制对流 空气自然对流空气自然对流(TW150) 1) 平壁保温层外：平壁保温层外： TT WT 07. 08 . 9 2) 管道或圆筒壁保温层外：管道或圆筒壁保温层外：TT WT 052. 04 . 9 (3) 设备总损失设备总损失Q TTAQQQ WWRCRC TTAQ WWT T：对流对流辐射联合表面传热系数辐射联合表面传热系数 例：在例：在2198mm的蒸汽管道外包一层厚为的蒸汽管道外包一层厚为75mm，导热系数为，导热系数为 0.1W/