辐射换热解读课件.ppt

1,3-3 辐射传热 Radiation Heat Transfer,2,物体以电磁波的方式向外传递能量的过程。,辐射传热的定义,3,热射线-被物体吸收后转变为热能的电磁波；热射线波长为0.4 1000 m ，包括：可见光：0.4 0.76 m（紫-红） 红外线：0.76 1000m（近红外：0.76 25 m； 远红外：25 1000 m ),4,（1）能量转换：内能辐射能辐射能内能 A物体（发射） B物体（吸收）（2）凡T0K的物体均具有将其本身的能量以电磁波的方式辐射出去，同时有接受电磁波的能力，其净结果热量高低；（3）热辐射可以在真空中传播，无需任何介质；（4）热射线的传播具有与光同样特性，具有反射、折射和吸收的特性； 能在均一介质中作直线传播。,辐射传热的特点,5,吸收率：A = QA/Q0；反射率：R = QR/Q0；透射率：D = QD/Q0； A + R + D = 1,Q0 = QA + QR + QD,(吸收),(反射),(透射),（投射）,吸收、反射和透过,6,（绝对）黑体A=1，R=D=0,（绝对）透热体D=1，A=R=0,（绝对）白体R=1，A=D=0,理想物体模型,7,自然界中并不存在（绝对）黑体、（绝对）白体、（绝对）透热体。,CO2、H2O、SO2、烟气：R0，A + D = 1,H2、N2、O2、Ar、干空气：D 1，R0，A 0,8,注意：“黑”，“白”之分不据颜色（可见光），而是热射线。雪（白漆）：A 0.98，近似黑体黑光金属：R=0.97，近似白体 一般，物体表面愈粗糙，愈近于“黑体”。在相同温度下，黑体的辐射最强，规律性也最强。（黑体模型）,9,在空心体的壁面上所开的小孔具有黑体的性质，热射线在射入腔膛后，经过多次反射、吸收后，几乎全部被吸收。小孔愈小，愈接近于黑体。,黑体模型,10,1 辐射传热的基本定律,1.1 普朗克（Plamck）辐射定律1.2 维恩偏移定律1.3 斯蒂芬波尔茨曼定律(Stefan-Boltzmann) 1.4 克希霍夫（Kirchhoff）定律,11,1.1 普朗克（Planck）辐射定律,M.（Max Planck 18581947）伟大的德国物理学家，量子论的奠基人。,描述黑体的单色辐射能力, 揭示了黑体辐射能力按照波长的分配规律。,12,（1）辐射能力和辐射强度,辐射能力（全辐射能力）,符号：“E” 单位：W/m2黑体：E0,一定温度下，单位时间，单位面积上，物体所能发射出的全部波长的总能量。,辐射强度（单色辐射能力）,一定温度下，单位时间，单位面积上，物体发射的某一波长的总能量。,13,（2）普朗克辐射定律,黑体的发射能力 E0：,14,对E0曲线的讨论：,（1）在某一温度下，黑体辐射能力随波长而变化： ，E0；达到最高值后， E0。（2）某一波长的单色辐射能力随温度升高而增大；（3）温度愈高，最大辐射强度的波长愈短；（4）温度2000K，辐射波长大部分在0.7610m的范围内，可见光比例相当小，可以忽略。随温度升高，可见光比例在不断增加，亮度逐渐增加，依次出现红、橙、黄、白 。 窑炉内常根据物料的颜色和亮度判断其温度。,15,灰体：能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体。其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。灰体是一个理想的概念，自然界中并不存在灰体。,理想灰体与黑体在同一温度下单色辐射力关系：,E1/E01 = E2/E02 = En/E0n = 常数,大多数工程材料对于波长在0.7620um内的辐射能力，其吸收率随波长变化不大，视为灰体。,16,1.2 维恩偏移定律Wiens displacement Law,对普朗克定律求导，并令其等于0，即可求出极大值E0max和max。,Tmax=2896（mk）,T，最大单色辐射能力向短波长方向移动。,确定了最大辐射强度的波长与绝对温度的关系。,17,18,依据维恩偏移定律，可以根据max判断黑体表面的温度。 (1)太阳表面的温度T 5800 K?(2) 红外保暖内衣？,（1）测得太阳光谱的 max= 0.5 m， 则： T = 2896/0.5 = 5792 K 5800 K（2） 人的体温37C，（T=273+37=310K） 则：max= 2896/310 9.34 m,19,1.3 斯蒂芬波尔茨曼定律(Stefan-Boltzmann),确定了黑体辐射力E0随温度T变化的关系。,式中： C0黑体的辐射系数，5.669W/ m2K4 T黑体的热力学温度，K,（W/m2）,四次方定律不仅指出了黑体只要绝对温度不为零就具有辐射能力，还表明了高温和低温辐射能力的显著差异。,20,物体的黑度：,物体辐射能力与同温度下黑体辐射能力的比值。反映灰体接近黑体的程度，值由实验测定。,黑度= E/E0,灰体辐射能力,21,1.4 克希霍夫（Kirchhoff）定律,确定了任意物体的辐射能力E与吸收率A之间的关系。,22,克希霍夫定律：任何物体的辐射力与其吸收率之比，恒等于同温度下黑体的辐射力，且只与温度有关。,物体的吸收率越大，其发射能力也越强，也就是善于吸收的物体必然善于发射。在所有物体中，黑体的辐射能力最强。,23,A=,克希霍夫恒等式在热平衡条件下，任何物体对黑体辐射的吸收率等于同温度下该物体的黑度。,24,1.普朗克定律：物体的辐射能力E与波长的关系2. 斯蒂芬-波尔茨曼定律：黑体辐总射能力与绝对温度的关系3. 克希霍夫定律：任意物体的辐射能力与它的吸收率之间的关系4. 物体的黑度 ：反映灰体接近于黑体的程度, 可比较灰体间辐射能力的大小,小结,25,2.1角系数,一个物体的辐射热量落到另一个物体上的百分数。热辐射的发射和吸收均具有空间方向特性，表面间的辐射换热与表面几何形状、大小和各表面的相对位置等均有关系。,2 固体间的辐射传热,A1,A2,26,平面A1对A2的角系数：平面1发出的辐射能中落到平面2上的百分数,平面A2对A1的角系数：平面2发出的辐射能中落到平面1上的百分数,A1,A2,27,（1）角系数的性质,互变性,完整性,A1,A2,28,一个物体表面辐射出去的热量可能投向自身表面的百分数。,29,透热体,兼顾性,不透热体,30,（2）常见的几种角系数值,A、两个无限大的平行平面,B、一个平面1和一个曲面2组成的封闭体系,A1,A2,31,C、一个物体1被另一个物体2包围,D、两个曲面组成的封闭体系,A1,A2,A3,32,2.2 两个黑体间的辐射传热,表面积：A1和A2表面温度：T1和T2角系数： 12 、 21,33,因为两个表面都是黑体，所以落到上面的能量被全部吸收，则两个表面之间的净辐射传热量Q12为：,34,E01,E02,黑体辐射传热的电热网络图,空间热阻一个物体辐射出去的热量，只有一部分是落到另一物体上，可看作两物体之间存在着辐射热阻。与物体的性质无关，只取决于物体间的几何关系。两物体间角系数愈小，空间热阻愈大。,35,导来黑度:,两灰体表面间反复辐射换热计算式:,2.3灰体间的辐射传热,36,两个物体均为无限大的平行平面,如果两平行平面中：12（或21） 则：122（或121）导来黑度取决于黑度小的平面。,常见封闭体系的辐射传热,37,当一平面或一物体被另一物体包围时：,如果两物体中，A2A1，则：121。 大表面的黑度对系统的导来黑度影响很小，以致忽略。,38,两个灰体表面间的辐射传热的电网络图,39,遮热板：插入两个辐射换热表面之间以削弱辐射换热的薄板，其实插入遮热板相当于降低了表面发射率。,遮热板,2.4 削弱辐射换热遮热板,40,例1：实验室内有一高0.5m，宽1m的铸铁炉门，其表面温度为600， 其黑度1=0.78。（1）试求由炉门辐射散热量（2）若在炉门前25mm外放置一块同等大小的铝板（已氧化）作为热屏，其黑度3=0.15，则辐射散热量可降为多少？设室温为27。,41,42,43,例2：用裸露热电偶测得管产内高温气体的温度T1923K。已知管壁温度为440，热电偶表面的黑度10.3。高温气体对热电偶表面的对流给热系数50W/m.，（1）试求管内的真实温度Tg及热电偶的测温误差。（2）如采用单层遮热抽气式热电偶，假设由于抽气的原因气体对热电偶的的对流给热系数增至90W/m.，遮热罩表面的黑度20.3,44,45,46,47,【例】某房间吊装一水银温度计读数为15，已知温度计头部黑度为0.9，头部与室内空气间的对流换热系数为20W/mK ，墙表面温度为10 ，求该温度计的测量误差。如何减小测量误差？,48,解：,49,【例】计算在厂房内的蒸气管道外表面每米长的辐射热损失。已知管外保温层的黑度10.9，外径d583mm，外壁面温度t150，室温t220,50,【解】属一个物体被另一个物体包围时的辐射换热 因为管道表面积F1相对于厂房面积F2来说是很小,121,51,3 气体辐射,O2、H2、N2等分子结构对称的双原子气体无发射与吸收辐射能的能力，是不参与辐射换热的透明体。CO2、H2O（水蒸汽）、SO2、CH4、CO等三原子、多原子以及结构不对称的双原子气体具有相当大的辐射与吸收能力。CO2和H2O是烟气中的主要辐射成分。,52,3.1气体辐射的特点,（1）气体的辐射和吸收对波长有选择性。固体能发射和吸收全部波长范围的辐射能，而气体只能发射和吸收某些波长范围内的辐射能。,（2）气体的辐射和吸收是在整个容器中进行。固体、液体的辐射和吸收在其表面进行。,（3）气体的R0，A+D1 。,与气体的温度Tg气层厚度lg与气体分压Pg乘积有关,53,气体的发射能力：单位表面上、单位时间内的发射能力 式中：Tg-气体的温度；P-气体的分压。l-气体层的平均厚度。,l=3.6V/A式中： V-气体体积，m ；A-包围气体的固体表面积，m 。,54,水蒸汽、CO2、SO2气的黑度,55,CO2与H2O共存时的黑度,= + - = + -,可把SO2的分压当作H2O的分压而计入中去。,水蒸汽辐射的 修正系数,56,（1）烟气与器壁间的辐射传热,器壁的有效黑度：,当TwTg时，近似地采用Agg,w0.8,3.3 气体与固体间的辐射传热,57,（2）烟气与被加热物料间的辐射传热,物料的有效黑度 ：,58,（3）强化辐射传热的措施,A、适当提高烟气温度。B、增大烟气与物料接触的表面积，提高物料的黑度；采用反射隔热罩，减少辐射热损失。C、提高烟气的黑度 。,