辐射传热教案

4－6辐射传热【学习指导】【学习指导】学习目的作为一种根本的传热方式，要理解辐射传热的根本概念和相关定律，把握两物体间辐射传热的速率方程，并了解对流－辐射联合传热。本学问点的重点两固体间的辐射传热速率方程及其应用。本学问点的难点辐射传热的根本概念和定律，影响辐射传热速率的影响因素。应完成的习题两平行的大平板，在空气中相距5mm，一平板的黑度为0.1，温度为350K；另一平板的黑度为0.05、温度为300K。假设将第一板加涂层，使其黑度为0.025，试计算由此引起的传热通量转变的百分率。假设两板间对流传热可以无视。在ф180×5mm的蒸汽管道外包扎一层导热系数为0.10w/(m.。℃)的保温材料，管内饱和蒸汽温度为127℃，保温层外外表温度不超过35℃，四周环境温度为20℃，试估算保温层的厚度。假设管内冷凝传热和管壁热传导热阻均可无视。物体以电磁波方式传递能量的过程称为辐射，被传递的能量称为辐射能。物体可由不同的缘由产生电磁波辐射，其中因热的缘由引起的电磁波辐射，即是热辐射。热辐射的机理可定性地描述如下：当向一固体供给能量时，其中的某些分子和原子被提升到“激发态”，而原子或分子有自发地回到低能态的趋势。此时，能量就以电磁波辐射的形式放射出来。热辐射和光辐射的本质完全一样，所不同的仅仅是波长的范围。理论上热辐射的电磁波波0.4~20,这包括波长范围为0.4~0.8的可见光线和波长范围为0.8~20 的红外光线，二者统称为热射线，不过后者对热辐射起打算作用，而前者只有在很高的温度下其作用才明显。热射线和可见光线一样，都听从反射和折射定律，在均匀介质中作直线传播，在真空和大多数气体中可以完全透过，但不能透过工业上常见的大多数固体或液体。一、根本概念和定律一、根本概念和定律如图片4-31QA

被吸取，一局部能量QR

被反射，另一局部能量QD

透过物体。依据能量守恒定律，可得【图片4-31】辐射能的吸取、反射和透过。 〔4-94〕即〔4-94a〕A+R+D=1 〔4-94b〕式中A ———物体的吸取率，无因次；———物体的反射率，无因次；———物体的透过率，无因次。〔一〕黑体、镜体、透热体和灰体能全部吸取辐射能的物体，即A 的物体，称为黑体或确定黑体。能全部反射辐射能的物体，即

的物体，称为镜体或确定白体。能透过全部辐射能的物体，即

的物体，称为透热体，一般单原子气体和对称的双原子气体〔如He、O、N2 2

和H等〕均可视为透热体。黑体2和镜体都是抱负物体，实际上并不存在。但是某些物体，如无光泽的黑漆外表，其吸取率约为0.97，接近于黑体；磨光的金属外表的反射率约等于0.97，接近于镜体，引入黑体等的概念，只是作为实际物体的比较标准，以简化辐射传热的计算。物体的吸取率A、反射率R和透过率D的大小取决于物体的性质、外表状况及辐射线的波长等。一般来说，固体和液体都是不透热体，即 ，故A 。气体则不同，其反射率，故A 。某些气体只能局部地吸取确定波长范围的辐射能。能够以相等的吸取率吸取全部波长辐射能的物体，称为灰体。灰体也是抱负物体，但是大多数工业上常见的固体材料均可视为灰体。灰体有如下特点：它的吸取率A与辐射线的波长无关；它是不透热体，即A 。〔二〕E物体在确定温度下，单位外表积，单位时间内所放射的全部波长的辐射能，称为该物体在该温度下的辐射力气，以E表示，单位为 。因之，辐射力气表征物体放射辐射能的本领。在一样条件下，物体放射特定波长的力气，称为单色辐射力气，用EΛ

表示。其定义为辐射力气随波长的变化率，即式中Λ———波长，m或 ；

〔4-95〕E———单色辐射力气，w/m3。Λ假设用下标b表示黑体，则黑体辐射力气和单色辐射力气分别用Eb二、普朗克定律、斯蒂芬—玻尔兹曼定律及克希霍夫定律〔一〕普朗克〔planck〕定律二、普朗克定律、斯蒂芬—玻尔兹曼定律及克希霍夫定律

E表示，于是bΛ〔4-96〕普朗克定律提示了黑体的单色辐射力气EbΛ

随波长变化的规律，其表达式为(4-97〕式中K；e———自然对数的底数；C———常数，其值为 ；1C———常数，其值为 。24-974-32EΛ的变化曲线。bΛ【图片4-32】黑体的单色辐射力气随温度及波长的分布规律曲线。由图可见，每一温度均有一条能量分布曲线，在指定的温度下，黑体辐射各种波长的能量是不同的。当温度不太高时，辐射能主要集中在波长为0.8~10 的范围内。〔二〕斯蒂芬〔Stefan〕－玻尔兹曼〔Boltzman〕定律4-97代入式4-96并积分，得〔4-98〕式中———黑体的辐射常数，其值为———黑体的辐射常数，其值为K4；C———黑体的辐射系数，其值为 K4。0式4-98即为斯蒂芬—玻尔兹曼定律，它说明黑体的辐射力气与其外表温度的四次方成正比。〔三〕克希霍夫〔klchhoff〕定律克希霍夫定律提示了物体的辐射力气E与吸取率A之间的关系。【图片4-33】黑体与灰体间的辐射传热。如图片4-331为实际物体〔灰体〕，其辐射力气、吸取率和外表温度分别为E、AT21 1 1为黑体，其辐射力气、吸取率和外表温度分别为E〔=E〕、A〔=1〕和T，设 ，两板中2 b 2 2间介质为透热体，系统与外界绝热，以单位时间、单位平板面积为基准。由于板2为黑体，板1放射出的E能被板2全部吸取，由板2放射的E〔=E〕被板1吸取了AE，余下的 A〕E1 2 b 1b 1 b被反射至板2，并被全部吸取，故对板1来说，辐射传热的结果为E1 1b式中Q/S—两板间辐射传热的热通量， 。当两板到达热平衡，即 AE1bE/A1 1因板1可以用任何板来代替，故上式可写为=…E/A = 〔4-99〕1 1 2 2上式称为克希霍夫定律，它说明任何物体〔灰体〕的辐射力气与吸取率的比值恒等于同温度下黑体的辐射力气，即仅和物体确实定温度有关。〔四〕物体的辐射力气的影响因素4-984-99，得E=A 〔4-100〕式中C=AC———灰体的辐射系数。0对于实际物体，因A<1，故C<C。由此可见，在任一温度下，黑体的辐射力气最大，对于0其它物体而言，物体的吸取率愈大，其辐射力气也愈大。在同一温度下，灰体的辐射力气与黑体的辐射力气之比，定义为灰体的黑度，亦称为灰体的放射率，用ε 表示，即 〔4-101〕4-994-100可知，A=ε，即在同一温度下，灰体的吸取率和黑度在数值上是相等的，于是〔4-102〕明显，只要知道灰体的黑度ε，便可由式4-102求得该灰体的辐射力气。黑度ε 和物体的性质、温度及外表状况〔如外表粗糙度及氧化程度〕有关，一般由试验测定，常用工业材料的黑度列于表4-12中。材料4-12常用工业材料的黑度温度，℃黑度，ε红砖200.93耐火砖—0.8~0.9钢板〔氧化的〕200~6000.8钢板〔磨光的〕940~11000.55~0.61铝〔氧化的〕200~6000.11~0.19铝〔磨光的〕225~5750.039~0.057铜〔氧化的〕200~6000.57~0.87铜〔磨光的〕—0.03铸铁〔氧化的〕200~6000.64~0.78铸铁〔磨光的〕330~9100.6~0.7三、两固体间的辐射传热三、两固体间的辐射传热化学工业中常常遇到两固体间的辐射传热，而这类固体，在热辐射中大都可视为灰体。在外形和大小以及相互间的位置和距离等因素的影响。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。现以两个面积很大且相互平行的灰体平板为例，推导灰体间辐射传热的计算式。【图片4-34】两平行灰体平板间的辐射传热。如图片4-34所示，相互平行的两平板1和2，彼此之间相当接近，故从每一板发出的辐射能可以认为全部投射在另一板上，两板的温度、辐射力气、吸取率和黑度分别为T、E、A、〔A= 〕和T、E、A、 〔A= 〕，且 。

1 1 11 2 2 2 21E2AERE或(1－A)E

被反射到板1，1 21 21 2 1这局部辐射能RE1吸取和反射...，如此无穷往复进展，直至E

被完全吸取为止。从板21 12E4-32(a)和(b)所示。由于辐射能以光2速传播，因此上述反复进展的反射和吸取过程均是在瞬间内完成的。两平板间单位时间、单位面积上净的辐射传热量即为两板间辐射的总能量之差，即…〕—EA〔 …〕1-2 12 21式中〔Q/S〕——由板1向板2传递的净的辐射传热通量， 。1-2上式中的 为无穷级数，等于 ，故〔4-103〕A A= 〔EA—EA〕2 1 12 21将 ，A =1－A=1－ (i=1,2)代入式4-103，并整理得i i i〔4-104〕或式中 称为总辐射系数，即

〔4-104a〕假设两平板的面积均为A时，则辐射传热速率为

〔4-105〕〔4-106〕上式说明，两灰体间的辐射传热速率正比于二者确实定温度四次方之差。明显，此结果与另外两种传热方式—热传导和对流传热完全不同。当两板面的大小与其距离相比不够大时，一个外表所发出的辐射能，可能有一局部不能到达另一板面，为此，引入几何因素〔角系数〕以校正上述影响。于是式4-106可以写成更普遍的形式，即〔4-107〕式中Q———净的辐射传热速率，w；1－2———总辐射系数，其计算式见表4-13；A———辐射面积，m2；T、T———高温存低温外表确实定温度，K；1 2、 ———两外表材料的黑度；———几何因数〔角系数〕。角系数 表示从一个物体外表所发出的能量为另一物体外表所截获的分数它的数值既与两物体的几何排列有关，又与式中的A1A2A作为辐射面积1 2有关，因此，在计算中，几何因数必需和选定的辐射面积A相对应。 方法测出，可查阅有关的手册，几种简洁状况下的 值见表4-13和图片4-35。表4-13 值与 的计算式序号序号辐射状况A1极大的两平行面AA11 22面积相等的两平行面A14—38321A11421A115介于3、4两种状况之间A11【图片4-35】平行面间辐射传热的角系数。四、对流和辐射联合传热四、对流和辐射联合传热在化工生产中，很多设备的外壁温度常高于环境温度，此时热量将以对流和辐射两种方式反响器及蒸汽管道等都必需进展保温。设备的热损失可依据对流传热速率方程和辐射传热速率方程来计算。因对流传热而引起的散热速率为因辐射传热而引起的散热速率为α为对流传热系数，

为辐射传热系数，Aw

为壁外外表积， 〔或 〕为壁面温度，t或〔T〕为环境温度。总的散热速率为：〔4-109〕或〔4-109a〕式中 称为对流—辐射联合传热系数，其单位为w/(m2.oC)。对于有保温层的设备，其外壁与四周环境的联合传热系数α 可用如下公式估算：T空气自然对流〔 <150oC〕平壁保温层〔4-110〕管或圆筒壁保温层〔4-111〕空气沿粗糙壁面强制对流空气流速<5m/s：〔4-112〕<5m/s：空气流速>5m/s：〔4-113〕>5m/s：【例题与解题指导】【例题与解题指导】【例4-14】车间内有一高和宽各为3m的炉门〔黑度ε＝0.70〕，其外表温度为600℃，1室内温度为27℃。〔1〕试求由于炉门辐射而引起的散热速率。〔2〕假设在炉门前25mm处放置一0.11解：〔1〕放置铝板前由于炉门辐射而引起的散热速率由于炉门被车间四壁所包围，则 ；又S>>S，故 ，于是2 1=3×3＝9m21w/(m2·K4)〔2〕放置铝板后由于炉门辐射而引起的散热速率以下标1、2和3分别表示炉门、房间和铝板。假定铝板的温度为T，则当传热达稳态时，3速率。炉门对铝板的辐射传热速率为因S=S，且两者相距很小，故可认为是两个极大平行平面间的相互辐射，故 。1 3w/(m2·K4)故 〔a〕铝板对房间的辐射传热速率为S=3×3＝9m23w/(m2·K4)则 〔b〕Q=Q1-3 3-2解得 KTb，得3w放置铝板后因辐射引起的散传速率可削减的