管式加热炉第一节热辐射的基本概念.ppt
第七章管式加热炉,第1节热辐射的基本概念,1.1 基本概念1.2 黑体辐射的基本定律1.3 实际物体的热辐射1.4 气体的辐射与吸收,1.1 基本概念,1.1.1 热辐射的特性1.1.2 热辐射的吸收、反射和透过1.1.3 黑体的定义1.1.4 物体的辐射能力、辐射强度,1.1.1 热辐射的特性：定义：用电磁波传递能量的过程特点：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 且还有能量形式的转换；任何物质，只要TK，均可辐射热量；,微粒性：发射和吸收时光子光子能量E,波动性：传播时电磁波波长或频率,特性：,E=h=C/,电磁辐射波谱：,辐射线名称宇宙射线伽马射线伦琴射线紫外线可见光红外线无线电波,波长/m 110-7 110-110-5 110-5210-2 210-20.38 0.380.76 0.761103 110321010,热射线,注：固体液体的光谱连续；气体光谱不连续,1.1.2 热辐射的吸收、反射和透过：,Q=Q+Q+Q或 Q/Q+Q/Q+Q/Q=1吸收率、反射率和透过率：定义：=Q/Q 吸收率=Q/Q 反射率=Q/Q 透过率,说明：,a.凡是善于反射的物体就一定不能很好的吸收热辐射；,b.、=f（物体性质、T、辐射波长）；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；,c.定义：镜反射；漫反射,d.=1，=0：全反射体，又称绝对白体或镜体如理想的金属镜面；=1，=0：透明体，如空气；=1，=0：黑体,1.1.3 黑体的定义：,黑表面：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，称为绝对黑体，或简称 黑体，用下标“0”表示,说明：自然界中并不存在真正的绝对黑体；黑体模型：,1.1.4 物体的辐射能力、辐射强度：,物体的辐射能力E：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（=0）的总辐射能，又称半球辐射能力、自身辐射,W/m2,说明：E与表面的性质、温度有关：TE；相同的温度下，黑体的辐射能力最大。,1.1.4 物体的辐射能力、辐射强度：,单色辐射能力E：定义：物体在至+的波段内的辐射能力,W/(m2m)或W/m3,说明：E反映了物体的辐射能力随（0-）的分布情况：,EE，Ef（波长，T）,1.1.4 物体的辐射能力、辐射强度：,立体角和辐射强度：立体角：以物体表面上的一点对辐射面所张开的角度辐射强度：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,W/(m2sr),说明：d物体向给定方向发射能量所占据的立体角，sr（球面度）；,E与I的关系为：,1.2 黑体辐射的基本定律,1.2.1 普朗克（Planck）定律 黑体辐射能力按波长的分布规律1.2.2 斯蒂芬-波尔兹曼（Stefan-Boltzman）定律黑体辐射能力与温度的关系1.2.3 兰贝特（Lambert）定律余弦定率,1.2.1 普朗克（Planck）定律：,黑体的单色辐射能力与波长及温度的定量关系：,式中：黑体辐射的波长，m；T黑体的绝对温度，K；C1、C2普朗克常数，C1=3.74310-16Wm2；C2=1.438710-2mK；E0黑体的单色辐射能力，W/m2。,讨论：黑体的E0与表面形状无关，E0=f(,T)；如图：当0或时，Eo0；同一波长下，TE0；,讨论：在全部波长范围内单色辐射能力有且只有一个最大值：,微分，令：,维恩（Wien）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较短的一边移动。,可凭借火焰的颜色来判断火焰的温度：,温度1400，可见光范围；太阳表面：T6000K，可见光范围；工业温度（约2000）：集中在=0.810m的红外线波段内。,1.2.2 斯蒂芬波尔兹曼（Stefan-Boltzman）定律：,黑体的全波长辐射能力：,积分后：,式中：0黑体辐射常数，0=5.6710-8W/(m2K4)C0=5.67,故：E0T，高温时不能忽略辐射传热。,1.2.3 兰贝特定律余弦定律：,说明了黑体表面向它上面的半球空间不同方向上的辐射能量与法线方向上的辐射能量的关系,内容：,I0n黑体的微元面积dA在法线方向上 的辐射强度，W/(m2sr)；给定方向与法线方向的夹角，sr,说明：兰贝特定律又称余弦定律；,当=0时，I=0=I0n，辐射强度最大；当=90时，I=90=0；,I0和E0的关系：,上式说明：E0为Ion的倍；,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；,以上三个定律只适用于黑体。,1.3 实际物体的热辐射,1.3.1 实际物体与黑体的区别与联系1.3.2 克希霍夫（Kirchhoff）定律 1.3.3 灰体,1.3.1 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；引入相对辐射能力：=E/E0，又称黑度，发射率影响因素：它与物体温度和表面性质（表面温度、表面状况等）有关；恒小于1。,1.3.1 实际物体与黑体的区别与联系,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引入物体的单色黑度：=E/E0，又称单色发射能力 影响因素：f（T,，物体表面性质）；恒小于1，黑体单色辐射能力最大。,1.3.1 实际物体与黑体的区别与联系,实际物体对投入辐射能的吸收率1单色吸收率：在给定波长和入射角和下，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。说明：、(0，1)；实验表明，、均为物体本身性质；不是物体本身的性质，f（表面性质、温度、投入辐射的波长及角度）。,1.3.2 克希霍夫（Kirchhoff）定律,内容：假设一个温度为T1的物体，在一个温度为T2的黑体包壳内，则无论T1和T2是否相等，该物体表面的单色黑度等于它的单色吸收率，即：=,证明：由该物体发射的辐射为：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：qe=q或 由T1=T2，则E0,1=E0,2，带入上式有：=,1.3.2 克希霍夫（Kirchhoff）定律,说明：对于许多物质，人们发现（或）与投射辐射的情况无关，即与投射温度T2无关。故：无论T1和T2是否相等，均有=；,由、，则：,热平衡时：T1=T2，故=；,对于灰体：=,什么是灰体？,1.3.3 灰体,灰体定义：假如某种物体的单色辐射能力E与同一温度下绝对黑体的单色辐射能力E0之比等于常数，即在所有波长下，物体的单色黑度等于常数，这种物体叫做灰体,灰体也是一种理想物体,1.3.3 灰体,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，灰表面符合兰贝特（Lambert）定律；,由其定义及克希霍夫定律，对灰表面，有：=常数 推导：,1.3.3 灰体,一般工业温度范围(T2000)内，一般固、液态物体均可认为是灰体（气体除外），于是：,灰体的-E曲线与黑体的-E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m处；,黑体是灰体的特例：=1,讨论：,1.4 气体的辐射与吸收,1.4.1 气体辐射与吸收的特点 1.4.2 烟气的黑度1.4.3 烟气的吸收率,1.4.1 气体辐射与吸收的特点:,不同气体具有不同的辐射能力,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，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子分子，如CO2、H2O、SO2、CO、CH2，烃类和醇类等，则有相当大的辐射能力和吸收能力。,1.4.1 气体辐射与吸收的特点:,气体辐射对波长有选择性,气体只在某些特定的波段光带内具有吸收能力。烟气中的CO2和H2O主要光带如下：,这些光带均位于可见光范围之外，所以，即使在高温下CO2和H2O也不能被人眼看见。,1.4.1 气体辐射与吸收的特点:,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的形状和体积有关。气体的辐射和吸收取决于气层厚度、气体的温度和分压。,定义平均辐射长度L=3.5V/A，又称有效气层厚度,这样：,1.4.1 气体辐射与吸收的特点:,气体是典型的非灰体物质,只有当气体温度和固体壁温度相同时气体的黑度和吸收率才会相等，若温度不相等，就不存在这种关系。同样普朗克定律定律和斯蒂芬波尔兹曼定律也不能成立。,1.4.2 烟气的黑度：,CO2和H2O的黑度：ECO2 T3.5，EH2O T3 引入气体的黑度i：0CO2=f（PCO2，L，Tg）CO2=CCO2 0CO2，P338：Fig7-8,9 0H2O=f（PH2O，L，Tg，P总）H2O=CH2O 0H2O，P339：Fig7-10,11,1.4.2 烟气的黑度：,烟气的黑度g：g=（CO2+H2O）（1-）-烟气中光谱重叠的校正量，2-5%；烟气中如存在SO2，通常可计算在CO2组分中。,1.4.3 烟气的吸收率g：,当TWTg时，g g，其关系可用下式表示：,式中：Tw固体壁温度，K；*CO2用Tw代替Tg，用PCO2 LTw/Tg代替PCO2 L，从图7-8，7-9查得的CO2；*H2O用Tw代替Tg，用PH2O LTw/Tg代替PH2O L，从图7-10，7-11查得的H2O；,烟气的吸收率：g=（CO2+H2O）（1-）,
