热辐射原理及计算教学文案.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,热辐射,Heat Radiation,Keywords:,Radiation heat transfer,Emissivity,Absorptivity,Reflectivity,Transmissivity,Pranck law,Stefan-Boltamann law,Kirchhoff law,主要内容：,热辐射的基本概念、基本定律；,辐射传热计算的基本方法。,作业：练习题4-12,4-13,1 热辐射的基本概念,热辐射机理的定性描述：,物体受热后其中某些原子or 分子“,激发态,”，从,激发态,低能态,能量就以电磁波辐射的形式发射出来。,热射线,可见光线(波长：0.40.8,m,T,，热效应明显),红外光线(波长：0.820,m,多数具有实际意义热辐射波长决定作用),自发,物体因热的原因，对外以电磁波形式向外发出辐射能吸收热能。,(1)热辐射,(T，热辐射),(2)热辐射对物体的,作用,A、R、D,被吸收,Q,A,；,被反射,Q,R,；,穿透物体,Q,D,。,热射线的特点：,在均质介质中直线传播；,在,真空,、多数气体中完全透过；,在工业上常见的多数固体or液体中不能透过。,与可见光一样，服从反射与折射定律。,当热辐射的能量投射在某一物体上时，其总能量,Q,：,理想物体，作为实际物体一种,比较标准,简化辐射传热计算。,黑体、镜体、透过体、灰体,黑体,(绝对黑体)：A=1，R=D=0辐射与吸收能力max，,在热辐射的分析与计算中具有特殊重要性。,镜体,(绝对白体)：R=1，A=D=0；,能全部反射辐射能，且入射角等于反射角(正常反射)。,透过体,(绝对透过体)：D=1，A=R=0；能透过全部辐射能的物体。,实际上：,对 无光泽的黑体表面，A=0.960.98接近黑体；,磨光的铜表面，R=0.97近似镜体；,单原子or对称双原子气体，D视为透过体。,物体的性质；,表面状况；,温度；,投射辐射线的波长。,物体的A、R、D其大小取决于：,灰体,能以,相同吸收率,吸收,所有波长,范围辐射能的物体；,A与辐射线波长无关，即物体对投入辐射的吸收率与外界无关；,不透过体，A+R=1 工业上常见固体材料(0.420,m,)。,特点：,(3)辐射传热,物体之间,相互辐射与吸收辐射能,的传热过程。,物体在一定温度下，单位时间、单位表面积所发出全部波长的总能量。E（,J/m,2,s,，即,W/m,2,）,2 固体的辐射能力,表征固体发射辐射能的本领,单色辐射能力,：在一定温度下，物体发射,某种波长,的能力，记作：,E,(,W/m,3,),定义：,Planck law,黑体的,单色辐射能力,E,b,随波长,、温度,T,的变化规律,对应于每一温度T均为一条能量分布曲线；,式中：,E,b,黑体的单色辐射能力，W/m,2,；,T 黑体的绝对温度，K；,C,1,常数，其值为3.74310,-16,，Wm,2,；,C,2,常数，其值为1.438710,-2,，mK。,E,b,T,3,T,2,T,1,从,图中,可见：,紫外灾难,T,，,E,b，max,移向波长较短的方向,等温线下的面积黑体的辐射能力,E,b,另外：,由于地表温度和太阳表面温度的差异，使得二者辐射波长不同，又由于大气层中的CO,2,吸收地球辐射波，导致,温室效应,。,(2)Stefan-Boltzmann law,(四次方定律),黑体的辐射系数,由四次方定律：,E,b,对T敏感，T，热辐射起主导作用。,黑体,辐射能力,E,b,与,T,间的关系,(3)灰体的辐射能力E,：,是物体本身的特性,物体的性质；,温度；,表面状况(表面粗糙度、氧化程度)。,由实验测定,将Stefan-Boltamann law用于灰体：,物体的黑度,为,同温度下,灰体与黑体的辐射能力之比，即,=E/E,b,C：灰体辐射系数；,定义,：,灰体,辐射能力,与吸收能力间(,E,A,)的关系,任何灰体的辐射能力与吸收率之比恒等于,同一温度下,绝对黑体的辐射能力。,数学表达式：,(4)Kirchhoff law,即：,或：,同一灰体吸收率与其黑度在,数值,上必相等。,AE,两无限大的平行平壁两壁面间距离壁面尺寸；,其中一壁面1灰体,T,1,、,E,1,、,A,1,T,2,，两壁面间为透热体(,D,=1)，系统对外绝热。,对壁面1，辐射传热的结果即两壁面辐射传热的热通量,q,为：,E,b,E,1,A,1,E,b,当两壁面达到热平衡时，,T,1,=T,2,q,=0 ,E,1,=,A,1,E,b,E,1,/,A,1,=,E,b,推广到任意灰体，有：,A,1，,EE,b,且,A=,Kirchhoff law,推导过程：,Kirchhoff law推导的,假设条件：,3 物体间的辐射传热,讨论两灰体间的辐射传热,两灰体间辐射传热过程的复杂性,(,与灰体黑体间辐射传热对比,),因灰体A,A,1,，则：,两大平行板,若为有限面积,A,1,平行面：,物体2恰好包住物体1(,A,2,A,1,)：,4 影响辐射传热的主要因素,辐射传热量正比于,温度的四次方之差,同样T，在高温时辐射传热量；,如：,T,1,=720K，,T,2,=700K与,T,1,=120K，,T,2,=100K两者温差相同，但在其它条件相同时，热流量相差240多倍,高温传热时，热辐射占主要地位,；,温度,为削弱物体表面间辐射传热，常在换热表面间插入薄板,遮热板,阻挡辐射传热。,两辐射表面的形状与大小、方位与距离,一表面对另一表面的投射角,；,(2)几何位置,(3)表面黑度,通过改变表面黑度的方法强化or削弱辐射传热。,(4)辐射表面间介质的影响,例：计算遮热板的作用。,某车间内有一高度为0.7m，宽1m的铸铁炉门(已氧化)，表面温度450，室,温为27。为减少炉门的辐射散热，在距炉门35mm处放置一块与炉门大小,相同的铝制遮热板(已氧化)，试计算放置遮热板前、后炉门因辐射而散失的,热量。(铸铁,1,=0.75，,铝,3,=0.15,),解：,放遮热板前，炉门为四周所包围，则有,：,放遮热板后，因炉门与遮热板间距离小两者之间辐射传热视为两无限大平壁间的相互辐射，则有：,设铝板温度,T,3,，则有：,遮热板与四周的散热量,Q,3-2,为：,稳态传热，,Q,1-3,=,Q,3-2,T,3,=609K,Q,1-3,=770W,放置铝板后炉门的辐射热损失减少的百分率为：,设置遮热板是减少辐射散热有效方法，且遮热板,，,遮热板数，热损失。,例：热电偶的测温误差。,裸露热电偶测得管道内高温气体,T,1,=923K。,已知：管壁,T,W,=440，热电偶表面,1,=0.3，,高温气体对热电偶表面,1,=50W/m,2,，,试求：管内气体真实温度,T,g,及热电偶测温误差；,若采用单层遮热罩(,2,=0.3,)抽气式热电偶，,2,=90W/m,2,(,抽气,)，,试求：热电偶的指示温度,T,1,。,T,W,T,g,T,2,T,1,解：,裸露热电偶稳态传热：,热电偶与管壁辐射散热=气体对热电偶表面对流传热,绝对误差159K；,相对误差14.7%,气体对遮热罩表面对流传热速率=遮热罩与管壁辐射散热速率,气体对热电偶表面对流传热速率=,遮热罩与热电偶辐射,散热速率,绝对误差37K；相对误差3.4%采用,遮热,罩抽气式热电偶使,测温精度。,加遮热罩，稳态传热条件下：,5 对流与辐射的联合传热,管道、设备热损失的计算,当管道or设备外壁温度,T,W,T,环境,Q,损失,=,Q,对流,+,Q,辐射,(1)对流传热热损失,Q,C,(2)辐射传热热损失,Q,R,(4),T,的估算,(有保温层设备、管道外热损失),1)空气u5m/s,2)空气u5m/s,空气沿粗糙壁面强制对流,空气自然对流(,T,W,150),1)平壁保温层外：,2)管道或圆筒壁保温层外：,(3)设备总损失Q,T,：,对流辐射联合表面传热系数,例：在,2198mm,的蒸汽管道外包一层厚为75mm，导热系数为,0.1W/mK的保温材料，管内饱和蒸汽温度为160，周围环境,温度为20，试估算管道保温层外表面的温度及单位长度管,道的热损失。,(假设,管内冷凝传热与管壁热传导热阻,不计),解：依题意，单位管长的热损失可表示为：,联立求解得：,t,W,=33,外径,219,b=75,t,W,t,环,=20,热传导,对流辐射,T,W,本 节 小 结,辐射传热的基本概念：,热辐射、A、R、D、黑体、镜体、透过体、灰体、辐射能力等；,辐射基本定律：,Pranck law(,E,b,),Stefan-Boltamann law(,E,b,),Kirchhoff law(,EA,/,),两灰体间的辐射传热,C,1-2,、,1-2,由物体黑度、形状、大小、相互位置、距离而定。,设备的热损失,