第六章 辐射传热及管式加热炉1

1、第六章辐射传热与管式加热炉第一节热辐射的基本概念一、热辐射的特性一、热辐射的特性二、热辐射的吸收、反射和透过二、热辐射的吸收、反射和透过三、黑体的定义三、黑体的定义四、物体的辐射能力、辐射强度四、物体的辐射能力、辐射强度在传递过程中不需要任何介质；在传递过程中不需要任何介质；热辐射过程中不仅有热量的转移过程，而热辐射过程中不仅有热量的转移过程，而 且还有能量形式的转换；且还有能量形式的转换；任何物质，只要任何物质，只要T TK K，均可辐射热量；，均可辐射热量；一、热辐射的特性一、热辐射的特性第一节热辐射的基本概念辐射：用电磁波传递能量的过程辐射：用电磁波传递能量的过程特点：特点：电磁辐射波谱

2、：电磁辐射波谱：辐射线名称辐射线名称宇宙射线宇宙射线伽马射线伽马射线伦琴射线伦琴射线紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线无线电波无线电波波长波长/m /m 1 11010-7-7 1 11010- -1 11010-5-5 1 11010-5-52 21010-2-2 2 21010-2-20.38 0.38 0.380.380.76 0.76 0.760.761 110103 3 1 110103 32 210101010 热射线热射线第一节热辐射的基本概念二、热辐射的吸收、反射和透过：二、热辐射的吸收、反射和透过： 定义：定义：= Q= Q/Q /Q 吸收率吸收率 = Q= Q/Q /Q

3、反射率反射率 = Q= Q/Q /Q 透过率透过率第一节热辐射的基本概念吸收率吸收率、反射率、反射率和透过率和透过率 Q= QQ= Q+ Q+ Q+ Q+ Q或或 Q Q/Q + Q/Q + Q/Q + Q/Q + Q/Q=1/Q=1+=1+=1说明：说明：a. a. 凡是善于反射的物体就一定不能很好的吸收热辐射；凡是善于反射的物体就一定不能很好的吸收热辐射；b.b.对热射线的反射和吸收有重大影响的，不是表面的颜色，对热射线的反射和吸收有重大影响的，不是表面的颜色，而是表面的状况；而是表面的状况；c.c.镜反射镜反射d.=1d.=1，=0=0，全反射体，又称绝对白体或镜体；，全反射体，又称绝对

4、白体或镜体； =1=1，=0=0：透明体，如空气；：透明体，如空气； =1=1，=0=0：黑体：黑体第一节热辐射的基本概念三、黑体的定义：三、黑体的定义：黑表面：黑表面：能全部吸收投射到它表面上的热辐射的表面。能全部吸收投射到它表面上的热辐射的表面。黑体：具有黑表面的物体，称为黑体：具有黑表面的物体，称为绝对黑体绝对黑体，或简称，或简称 黑体，用下标黑体，用下标“0”0”表示表示 说明：说明：自然界中并不存在真正的绝对黑体；自然界中并不存在真正的绝对黑体； 黑体模型：黑体模型：第一节热辐射的基本概念四、物体的辐射能力、辐射强度：四、物体的辐射能力、辐射强度： 物体的辐射能力物体的辐射能力E E

5、定义：物体单位表面积、单位时间向半球空间所有方向发射定义：物体单位表面积、单位时间向半球空间所有方向发射的全部波长（的全部波长（=0=0）的总辐射能，称为物体的辐射能力）的总辐射能，称为物体的辐射能力又称半球辐射能力或自身辐射又称半球辐射能力或自身辐射dAdQE W/mW/m2 2 说明：说明：E E与表面的性质、温度有关：与表面的性质、温度有关：TETE；相同的温度下，黑体的辐射能力最大。相同的温度下，黑体的辐射能力最大。第一节热辐射的基本概念定义：物体在定义：物体在至至+的波段内的辐射能力的波段内的辐射能力 W/mW/m3 3说明：说明：E E反映了物体的辐射能力随反映了物体的辐射能力随（

6、0-0-）的分布情况：）的分布情况：ddEElimE0E Ef f（波长，（波长，T T，表面状况），表面状况）0dEE第一节热辐射的基本概念单色辐射能力单色辐射能力E：立体角：物体表面立体角：物体表面dAdA对辐射面所张开的角度对辐射面所张开的角度立体角的大小为球面面积立体角的大小为球面面积dAdA与球的半径与球的半径R R2 2的比值，单位为球面的比值，单位为球面度，以度，以SrSr表示表示第一节热辐射的基本概念立体角和辐射强度立体角和辐射强度辐射强度：物体单位表面积、单位时间内向空间单位辐射强度：物体单位表面积、单位时间内向空间单位立体角所发射的全部波长的辐射能立体角所发射的全部波长的辐

7、射能 W/(mW/(m2 2sr)sr)说明：说明：dd物体向给定方向发射能量所占据的立物体向给定方向发射能量所占据的立体角，体角，srsr（球面度）；（球面度）； E E与与I I的关系为：的关系为：ddEdAdQdI220IdE第一节热辐射的基本概念第二节 黑体辐射的基本定律一、一、 普朗克（普朗克（PlanckPlanck）定律）定律 黑体辐射能力按波长的分布规律黑体辐射能力按波长的分布规律二、二、 斯蒂芬斯蒂芬- -波尔兹曼（波尔兹曼（Stefan-BoltzmanStefan-Boltzman）定律）定律 黑体辐射能力与温度的关系黑体辐射能力与温度的关系三、三、 兰贝特（兰贝特（La

8、mbertLambert）定律余弦定率）定律余弦定率一、普朗克（一、普朗克（PlanckPlanck）定律：）定律：黑体的单色辐射能力与波长及温度的定量关系：黑体的单色辐射能力与波长及温度的定量关系：12510T/CeCE式中：式中：黑体辐射的波长，黑体辐射的波长，m m；T T黑体的绝对温度，黑体的绝对温度，K K；C C1 1、C C2 2普朗克常数，普朗克常数，C C1 1=3.743=3.7431010-16-16WmWm2 2； C C2 2=1.4387=1.43871010-2-2mKmK；E E00黑体的单色辐射能力，黑体的单色辐射能力，W/mW/m2 2。 第二节 黑体辐射的

9、基本定律讨论：讨论：黑体的黑体的E E00与表面形状无关，与表面形状无关，E E00=f(,T)=f(,T)；如图：当如图：当00或或时，时，E Eoo00；同一波长下，；同一波长下，TETE00； 第二节 黑体辐射的基本定律在全部波长范围内单色辐射能力有且只有一个最大值。在全部波长范围内单色辐射能力有且只有一个最大值。0ddEo微分，令：微分，令：KmTm3109 . 2维恩（维恩（WienWien）位移定律）位移定律 故：黑体单色辐射能力的最大值随着其温度的升高向波长故：黑体单色辐射能力的最大值随着其温度的升高向波长较短的一边移动。较短的一边移动。第二节 黑体辐射的基本定律可凭借火焰的颜色

10、来判断火焰的温度：可凭借火焰的颜色来判断火焰的温度：温度温度7007009009001100110014001400火焰火焰颜色颜色暗红暗红樱桃樱桃红红橙黄橙黄白色白色炽热体炽热体太阳表面：太阳表面：T6000KT6000K，可见光范围；，可见光范围；工业温度（约工业温度（约20002000）：集中在）：集中在=0.8=0.810m10m的红外线的红外线波段内。波段内。 第二节 黑体辐射的基本定律二、斯蒂芬波尔兹曼二、斯蒂芬波尔兹曼(Stefan-Boltzman)(Stefan-Boltzman)定律：定律：黑体的全波长辐射能力黑体的全波长辐射能力 ：deCdEET/C12510000积分后

11、：积分后：40400100TCTE式中：式中：0 0黑体辐射常数，黑体辐射常数，0 0=5.67=5.671010-8-8W/(mW/(m2 2KK4 4) ) C C0 0=5.67 =5.67 故：故：E E0 0TT，高温时不能忽略辐射传热。，高温时不能忽略辐射传热。第二节 黑体辐射的基本定律三、兰贝特定律三、兰贝特定律余弦定律：余弦定律：内容：黑表面向任一方向发射的辐射强度等于法线方向上的辐内容：黑表面向任一方向发射的辐射强度等于法线方向上的辐射强度与法线方向与该方向夹角的余弦的乘积射强度与法线方向与该方向夹角的余弦的乘积cos00nII I I0n0n黑体的微元面积黑体的微元面积dA

12、dA在法线方向上在法线方向上 的辐射强度，的辐射强度，W/(mW/(m2 2sr)sr)；给定方向与法线方向的夹角，给定方向与法线方向的夹角，srsr第二节 黑体辐射的基本定律说明：说明：当当=0=0时，时，I I=0=0=I=I0n0n，辐射强度最大；当，辐射强度最大；当=90=90时，时，I I=90=90=0=0； I I0n0n和和E E0 0的关系：的关系：上式说明：上式说明：E E0 0为为I Ionon的的倍；倍；nIdIEE020200n200022on02000dcossindIddsinRdRsinRdRdAdcosIIdI兰贝特定律又称余弦定律；兰贝特定律又称余弦定律；第

13、二节 黑体辐射的基本定律遵循兰贝特定律的表面称为兰贝特表面，黑体表遵循兰贝特定律的表面称为兰贝特表面，黑体表 面就是一个兰贝特表面；面就是一个兰贝特表面；以上三个定律只适用于黑体。以上三个定律只适用于黑体。第二节 黑体辐射的基本定律第三节 固体的热辐射一、实际物体与黑体的区别与联系一、实际物体与黑体的区别与联系二、灰体二、灰体三、克希霍夫（三、克希霍夫（KirchhoffKirchhoff）定律）定律一、实际物体与黑体的区别与联系一、实际物体与黑体的区别与联系实际物体的辐射能力不服从斯蒂芬波尔兹曼定律实际物体的辐射能力不服从斯蒂芬波尔兹曼定律自然界一切物体的辐射能力均小于同温度下黑体的辐射能力

14、；自然界一切物体的辐射能力均小于同温度下黑体的辐射能力；相对辐射能力：相对辐射能力：=E/E=E/E0 0，又称黑度，辐射率，又称黑度，辐射率影响因素：影响因素：与物体温度和表面性质（表面温度、表面状况等）有关；与物体温度和表面性质（表面温度、表面状况等）有关；恒小于恒小于1 1。 第三节 固体的热辐射实际物体的单色辐射能力随温度和波长的变化不符合普朗克实际物体的单色辐射能力随温度和波长的变化不符合普朗克定律定律物体的单色黑度物体的单色黑度 ： =E=E/ E/ E00- -又称单色发射能力又称单色发射能力 影响因素：影响因素：f f（T,T,，物体表面性质）；，物体表面性质）；恒小于恒小于1

15、 1，黑体单色辐射能力最大。，黑体单色辐射能力最大。第三节 固体的热辐射实际物体对投入辐射能的吸收率实际物体对投入辐射能的吸收率11单色吸收率单色吸收率： 在给定波长在给定波长和入射角和和入射角和下，一个实际表面吸收的能下，一个实际表面吸收的能量与一个黑表面吸收的能量之比值。量与一个黑表面吸收的能量之比值。 说明：说明：、(0(0，1)1)；实验表明，实验表明， 、 、 不仅与物体本不仅与物体本身的性质有关，而且与投入辐射的波长及角度有关。身的性质有关，而且与投入辐射的波长及角度有关。第三节 固体的热辐射二、灰体二、灰体灰体定义灰体定义假如某种物体的单色辐射能力假如某种物体的单色辐射能力E E

16、与同一温度下绝与同一温度下绝对黑体的单色辐射能力对黑体的单色辐射能力E E00之比等于常数，即在之比等于常数，即在所有波长下，物体的单色黑度所有波长下，物体的单色黑度等于常数，这等于常数，这种物体叫做灰体种物体叫做灰体灰体也是一种理想物体灰体也是一种理想物体第三节 固体的热辐射一般工业温度范围一般工业温度范围(T(T2000)2000)内，一般固、液态物体内，一般固、液态物体均可认为是灰体（气体除外），于是：均可认为是灰体（气体除外），于是： 灰体的灰体的E E-曲线与黑体的曲线与黑体的E E-曲线相似，二者在同一曲线相似，二者在同一温度下的最大单色辐射能力都位于同一温度下的最大单色辐射能力都

17、位于同一m m处；处；400TEE黑体是灰体的特例黑体是灰体的特例 ：= 1 1讨论：讨论：灰体是一个物理模型，符合灰体模型的表面叫做灰表面，灰体是一个物理模型，符合灰体模型的表面叫做灰表面，灰表面符合兰贝特（灰表面符合兰贝特（LambertLambert）定律；）定律； 第三节 固体的热辐射三、克希霍夫（三、克希霍夫（KirchhoffKirchhoff）定律）定律内容：假设一个温度为内容：假设一个温度为T T1 1的物体，在一个温度为的物体，在一个温度为T T2 2的黑体的黑体包壳内，则无论包壳内，则无论T T1 1和和T T2 2是否相等，该物体表面的单是否相等，该物体表面的单色黑度等于

18、它的单色吸收率色黑度等于它的单色吸收率 ，即：，即：= 证明：由该物体发射的辐射为：证明：由该物体发射的辐射为： 被该物体吸收的辐射为：被该物体吸收的辐射为： 假定该物体和包壳处于热平衡状态，则：假定该物体和包壳处于热平衡状态，则：q qe e=q=q或或 由由T T1 1=T=T2 2，则，则E E0,10,1= E= E0,20,2，带入上式有：，带入上式有：=dEq20dEdE2010dEqe10第三节 固体的热辐射第四节 气体的热辐射一、气体辐射与吸收的特点一、气体辐射与吸收的特点 二、烟气的黑度二、烟气的黑度三、烟气的吸收率三、烟气的吸收率不同气体具有不同的辐射能力不同气体具有不同的

19、辐射能力单原子和分子结构对称的双原子气体，如惰性单原子和分子结构对称的双原子气体，如惰性气体和氢、氮、氧等，不具有吸收热辐射的能力，气体和氢、氮、氧等，不具有吸收热辐射的能力，可看作透明体。可看作透明体。 而三原子，多原子气体以及结构不对称的双原而三原子，多原子气体以及结构不对称的双原子分子，如子分子，如COCO2 2、H H2 2O O、SOSO2 2、COCO、CHCH2 2 ，烃类和醇类，烃类和醇类等，则有相当大的辐射能力和吸收能力。等，则有相当大的辐射能力和吸收能力。一、气体辐射与吸收的特点一、气体辐射与吸收的特点第四节 气体的热辐射气体辐射对波长有选择性气体辐射对波长有选择性 气体只

20、在某些特定的波段光带内具有吸收能力。烟气体只在某些特定的波段光带内具有吸收能力。烟气中的气中的COCO2 2和和H H2 2O O主要光带如下：主要光带如下： CO2H2O第一光带2.65-2.80m2.55-2.84m第二光带4.15-4.45m5.6-7.6m第三光带13.0-17.0m12.0-30.0m 这些光带均位于可见光范围之外，所以，即使在高温这些光带均位于可见光范围之外，所以，即使在高温下下COCO2 2和和H H2 2O O也不能被人眼看见。也不能被人眼看见。第四节 气体的热辐射气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的 气体的辐射和吸收与气体所在的容器的形状和体气体的辐射和吸收与气体所在的容器的形状和体积有关。积有关。 气体的辐射和吸收取决于气层厚度、气体的温度气体的辐射和吸收取决于气层厚度、气体的温度和分压。和分压。定义平均辐射长度定义平均辐射长度L