ch8.辐射换热课件

1、 辐射换热的基本概念 辐射换热的基本定律固体表面间的辐射换热气体辐射主要内容第8章 辐射换热*1第8章 辐射换热辐射换热是指物体之间通过相互辐射和吸收进行的热量传输过程。热辐射：物体由于自身温度引起的发射辐射能的现象,依靠热射线（电磁波）传递热量。1、热辐射紫外线 0.1- 0.38可见光 0.38-0.76红外线 0.76-100热射线：理论上为0范围，波长在0.1100m之间。工程上的热辐射集中在0.7640微米的红外线部分红外线辐射。8.1 辐射换热基本概念*2第8章 辐射换热8.1 热辐射的基本概念*3第8章 辐射换热不需要冷热物体的直接接触，也不需要中间介质伴随有能量形式的转换，即辐

2、射时由内能转换为辐射能，吸收时由辐射能转换为内能。一切温度高于0K的物体都在不断地向外发射辐射能，也在吸收周围物体发射到它表面上的辐射能。特 点热辐射：高温物体的热能以电磁波的形式传递给低温物体。8.1 热辐射的基本概念*4第8章 辐射换热2、辐射能的吸收、反射和投射吸收热能 低温物体热能高温物体辐射能流（热射线）GGRGDGA穿透 与中间介质无关而由电磁波传输反射 8.1 热辐射的基本概念*5第8章 辐射换热物体能将外界投射来的辐射能全部吸收黑体能量守恒原理吸收率反射率透射率物体能将外界投射来的辐射能全部反射入射角等于反射角镜体；漫反射白体外界投射到物体上的辐射能全部透过物体透明体8.1 热

3、辐射的基本概念*6第8章 辐射换热固体、液体：对辐射能的吸收只在物体表面薄层内进行，可认为其透射率：d=0表面辐射气体：对热辐射几乎不能反射，即：r=0对称的双原子气体、纯净空气，可认为其基本不吸收辐射能，即a0体积辐射8.1 热辐射的基本概念*7第8章 辐射换热物体向外发射的辐射能包括不同波长和不同空间方向的能量3、辐射力、辐射强度辐射力：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的全部波长 的辐射能量。单色辐射力：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的某一特定波长的辐射能量,描述辐射能按波长分布。8.1 热辐射的基本概念符号：E 单位：W/m2符号： 单位：W/m2.m*8第8章 辐

4、射换热方向辐射力：单位时间内，物体的单位表面积向某一方向单位立体角内发射的全部波长的辐射能量。辐射强度：单位时间内，与某一辐射方向垂直的单位辐射面积在单位立体角发射的全部波长的辐射能量。8.1 热辐射的基本概念*9第8章 辐射换热立体角：是一个空间角度，单位为Sr 。d整个半球的面积为2r2 ，为2个球面度立体角 = F / r2，Sr 为球面度8.1 热辐射的基本概念*10第8章 辐射换热与方向辐射力关系 E=I Cos 在法线上 En = In 8.1 热辐射的基本概念*11第8章 辐射换热黑体模型随温度升高，黑体的单色辐射力和辐射力 都在迅速增大；在波长为0、无穷大处， 每一分布曲线都有

5、一峰值；随着温度升高，黑体的最大单色辐射力向短波长方向移动。 8.2 热辐射的基本定律1、普朗克定律*12第8章 辐射换热维恩定律8.2 热辐射的基本定律2、维恩定律*13第8章 辐射换热8.2 热辐射的基本定律*第8章 辐射换热14可据钢坯的颜色来判断其温度，钢坯在加热过程中当： 无变化：低于500、 暗红：600左右、 鲜红：800-850左右、 桔黄：1000左右 白炽：1300左右3、斯蒂芬玻尔兹曼定律斯蒂芬常数8.2 热辐射的基本定律*15第8章 辐射换热4、朗伯定律余弦定律沿法线方向（1=0) 的辐射力最大沿水平方向（1=90）时辐射力等于零8.2 热辐射的基本定律*16第8章 辐

6、射换热单色黑度黑度（发射率） 辐射光谱连续，与黑体相似 灰体 C灰体辐射系数，W/(m2K4) 5、基尔霍夫定律8.2 热辐射的基本定律*17第8章 辐射换热黑度（发射率）的影响因素 材料的物理性质 表面粗糙度 明显影响的是光学粗糙度/，成正比 温度 金属 - 5m, T 非金属- T，。非金属的黑度大于金属的黑度。 0.78 表面氧化层 波长 金属： ， 非金属： ， 8.2 热辐射的基本定律*18第8章 辐射换热吸收率a表示物体相对于黑体的吸收能力黑度表示物体相对于黑体的辐射能力热平衡8.2 热辐射的基本定律*19第8章 辐射换热3） ，不能吸收的，也不能辐射；不能辐射的，也不能吸收。 2

7、） ，吸收能力强，辐射能力强； 1）黑体 ， 吸收能力最大，辐射能力最大； 分析： 8.2 热辐射的基本定律基尔霍夫定律*20第8章 辐射换热6、气体的吸收定律g = Ag=1 e ks式中： g：气体的单色发射率 Ag：气体的单色吸收率 k ：单色减弱系数，单位距离内，辐射强度减弱的百分数。当S时， g = Ag =1，即黑体。8.2 热辐射的基本定律*21第8章 辐射换热1角系数任意两表面所组成的体系，其中一个表面所发射的辐射能投射到另一表面上的能量占发射总能量的百分数，称为第一表面对第二表面的辐射角系数，记为 。同理，第二表面对第一表面的辐射角系数为8.3 固体表面间的辐射换热（1）角系

8、数的概念 *22第8章 辐射换热8.3 固体表面间的辐射换热*23第8章 辐射换热（2）角系数的性质 1）纯几何参数2）互变关系（相对性）3）自变关系（完整性）132n8.3 固体表面间的辐射换热*24第8章 辐射换热12不可自见面（平面、凸面） 1 可自见面（凹面） 4）自见性8.3 固体表面间的辐射换热*25第8章 辐射换热5）兼顾性132透热体 6) 可分性（分解性）8.3 固体表面间的辐射换热*26第8章 辐射换热A1A2A31）两不可自见面 自见性完整性 （3）角系数的确定 积分法 利用角系数的积分公式进行积分运算。代数分析法 利用角系数的性质，用代数的方法确定。8.3 固体表面间的

9、辐射换热*27第8章 辐射换热2）一可自见面与一不自见面 自见性完整性 相对性完整性 8.3 固体表面间的辐射换热*28第8章 辐射换热3）两可自见面 兼顾性 f透热体8.3 固体表面间的辐射换热*29第8章 辐射换热2两灰体表面间的辐射换热网络元法自身辐射 投射辐射 吸收辐射 反射辐射 有效辐射 差额热量 8.3 固体表面间的辐射换热(1) 概念 *30第8章 辐射换热1- / ( A)（2）基本网络单元表面网络单元物体失去或得到的能量：Q1EbJ表面热阻(如果是单位面积的热阻叫单位热阻)仅与表面的性质有关，当表面为黑体时，则表面热阻为零，说明物体不是黑体，相当于有一个热阻。 表面热阻8.3

10、 固体表面间的辐射换热*31第8章 辐射换热8.3 固体表面间的辐射换热离开A1、A2的总辐射能为J1A1、J2A2中投落在A2、A1上的部分分别为,则两表面间的辐射换热量：空间热阻Q12Eb1Eb21/ A1 12*32第8章 辐射换热8.3 固体表面间的辐射换热（3）两灰体表面间的辐射换热表面1的“表面辐射过程”+两表面的空间“传递辐射过程”+表面2的“表面辐射过程”两灰体表面间的辐射换热C综合辐射系数，W/(m2K4)*33第8章 辐射换热8.3 固体表面间的辐射换热A1表面热阻A2表面热阻表面A1、A2间空间热阻Eb1Eb2J1J2Q1Q12Q2*34第8章 辐射换热1）两无限大平行平

11、面间的辐射换热 WW/m2黑体 W/m2灰体 特例8.3 固体表面间的辐射换热*35第8章 辐射换热2）一凹面对一平面或凸面 W 如果A1置于自由空间， W 8.3 固体表面间的辐射换热*36第8章 辐射换热3）两凹面 8.3 固体表面间的辐射换热*37第8章 辐射换热3）隔热板加n层隔热板：8.3 固体表面间的辐射换热*38第8章 辐射换热小孔辐射W 小孔面积 ？工程中常利用低黑度的金属薄板作遮热板，削弱辐射换热；用遮热罩抽气式热电偶提高温度测量的精度。8.3 固体表面间的辐射换热*39第8章 辐射换热8.3 固体表面间的辐射换热*第8章 辐射换热40例题8-1、两块平行放置的大钢板，其间距

12、远小于长和宽。已知钢板的温度分别为727、27，黑度均为0.8。若视钢板为灰体，试计算其自身辐射、有效辐射及净传热量。 解：(3)三个灰体表面间的辐射换热A1A2A3热辐射网络图为Eb1Eb2Eb3J1J2J3Q1Q2Q12Q13Q23Q38.3 固体表面间的辐射换热*41第8章 辐射换热Kirchhoff定律:稳定态传热时，汇入节点的热量之和为零。节点1：节点2：节点3：8.3 固体表面间的辐射换热J1J2J3*42第8章 辐射换热8.3 固体表面间的辐射换热Eb1Eb2Eb3J1J2J3Q1Q2Q31）黑体或大表面（A3表面热阻=0，J3=E3, Q30） 利用节点方程求解有效辐射J1、J

13、2。 特例 *43第8章 辐射换热8.3 固体表面间的辐射换热Eb1Eb2Eb3J1J2J3Q1Q22）重辐射面(J3=E3 =G3,Q3=0） 也称辐射绝热面，如炉壁表面（认为吸收热量和辐射热量相等、净辐射热流量等于零）。直接利用等效网络热流图求解有关辐射热量。*44第8章 辐射换热8.3 固体表面间的辐射换热(4)四个灰体表面间的辐射换热*45第8章 辐射换热Eb1Eb3Eb4Eb2J1J2J3J48.3 固体表面间的辐射换热*第8章 辐射换热46(5)五个灰体表面间的辐射换热？8.3 固体表面间的辐射换热*第8章 辐射换热478.3 固体表面间的辐射换热*第8章 辐射换热48例题8-2、

14、计算直径d=1m的热风管在下述条件下每米长度上表面辐射热损失，设热风管为裸露钢表面黑度0.8，外表面温度为227。 若此管置于露天周围环境温度27； 若将此管置于断面为1.81.8的砖砌沟槽内，且设砖槽内表面温度同样为27，黑度0.9。解： 可视为热风管表面A1被无限大空间表面所包围，则 8.3 固体表面间的辐射换热*第8章 辐射换热49 可视为非自见表面热风管A1被可自见表面沟槽A2所包围，则 8.3 固体表面间的辐射换热*第8章 辐射换热50例题8-3、一炉顶隔焰加热熔锌炉，碳化硅炉顶温度900，黑度0.85；熔池锌液温度600，黑度0.2；炉顶与熔池表面积面积均为13.8m，炉膛高0.5

15、m。若把炉壁内表面视为绝热面差(额热量为零)，求炉顶与熔池间的热辐射、炉膛内表面的温度及金属获得的辐射热量。 解：令炉顶表面为1，金属表面为2，炉膛内表面为3，画辐射网络图： Eb1Eb2Eb3J1J2J3Q1Q28.3 固体表面间的辐射换热*第8章 辐射换热51如何求Q2，T38.3 固体表面间的辐射换热*第8章 辐射换热52例题8-4、一Mulff炉的内表面积1m2中,温度900，黑度0.8；炉底架子上有两块钢坯互相紧靠着正在加热，钢坯断面尺寸为5050mm，长度1m，金属的黑度为0.8。求金属温度为500 时炉壁对金属的辐射热量。 解：令金属表面为1，A1=230.051=0.3m2，炉

16、膛内表面表面为2，可作两表面辐射处理。8.3 固体表面间的辐射换热*第8章 辐射换热53例题8-5、一Mulff炉的内表面积1m2中,温度900，黑度0.8；炉底架子上有两块钢坯正在加热，钢坯断面尺寸为5050mm，长度1m，两块钢坯相距50mm,金属的黑度为0.8。求金属温度为500 时炉壁对金属的辐射热量。 解：令金属表面表面为1， A1=240.051=0.4m2；炉膛内表面为2，可作两表面辐射处理；23.8kW 8.3 固体表面间的辐射换热*第8章 辐射换热54例题8-6、一室温为27的大房间内放置两块平行的相距1m的平板，两平板温度分别为827、327，黑度为0.2、0.5，尺寸为1

17、2m。求平板的净辐射热量Q1、Q2及房间墙壁得到的辐射热量Q3。 解：令平板表面分别为1、2，房间表面为3，可作三表面辐射处理（大表面）。 8.3 固体表面间的辐射换热*第8章 辐射换热55节点方程：联立解得J1=18.33kW/m2； J2=6.437kW/m2 ；J3=0.459kW/m28.3 固体表面间的辐射换热*第8章 辐射换热568.3 固体表面间的辐射换热*第8章 辐射换热57思考题、一室温为27的大房间（墙壁为绝热面）内放置两块平行的相距1m的平板，两平板温度分别为827、327，黑度为0.2、0.5，尺寸为12m。求平板间的辐射换热量。 解：提示 ：令平板表面分别为1、2，房

18、间表面为3，可作三表面辐射处理（大表面、重辐射面）。 1气体辐射的特点（1）与分子结构有关单原子气体 He Ar 三原子气体 CO2 H2O SO2 CH4 单元素双原子气体 N2 O2 H2 非单元素双原子气体 CO（2）没有反射能力，有较强的透过能力 d=1 a=08.4 气体辐射与吸收*58第8章 辐射换热（3）选择吸收及辐射选择性测定气体成分红外气体分析仪黑体、灰体、气体辐射及吸收光谱的比较(a)辐射光谱；(b)吸收光谱1黑体；2灰体；3气体8.4 气体辐射与吸收*59第8章 辐射换热8.4 气体辐射与吸收水蒸气和二氧化碳的辐射和吸收光带光带H2O CO2波长m12(m)波长m 12(m)第一光带2.243.271.032.363.020.66第二光带4.88.53.74.014.80.79第三光带12251312.516.54.0*60第8章 辐射换热（4）体积辐射烟气STP P分压 S与射线入射方向、容器形状、大小有关 8.4 气体辐射与吸收*61第8章 辐射换热2气体的吸收率与黑度平均射线行程S当量半球半径 1）温度T、压力P、成分相同2）辐射能相等C系数，0.850.95，一般取0.90E实验测定8.4 气体辐射与吸收*62第8章 辐射换热W/m2W/m2查图 8.4 气体辐射与吸收*63第8章 辐射换热混合气体（CO2H2O）的黑度： 图12-48 图