23辐射换热.pptx

硅酸盐工业热工基础12.3辐射换热辐射换热硅酸盐工业热工基础22.3.1辐射传热的基本概念辐射传热的基本概念 1.热辐射特点热辐射特点(1)(1)定义定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；(2)(2)特点特点：a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 0 K，就会不停地向周围空，就会不停地向周围空间发出热辐射；间发出热辐射；b 可以在真空中传播；可以在真空中传播；c 伴随能量形式的转变；伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性；具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均有关；辐射能与温度和波长均有关；f 发射辐射取决于温度的发射辐射取决于温度的4次方。次方。硅酸盐工业热工基础32.电磁波谱电磁波谱电磁辐射包含了多种形式，而我们所感兴趣的，即工电磁辐射包含了多种形式，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为业上有实际意义的热辐射区域一般为0.11000.1100mm。电磁波的传播速度：电磁波的传播速度：c=f 式中：式中：f 频率，频率，s-1;波长，波长，m硅酸盐工业热工基础4电电 磁磁 辐辐 射射 波波 谱谱0.38 0.76硅酸盐工业热工基础53.吸收、反射和透过吸收、反射和透过透过率吸收率反射率A+R+D=1硅酸盐工业热工基础6几种特殊情况几种特殊情况绝对黑体绝对黑体A=1，R=D=0绝对透热体绝对透热体D=1，A=R=0绝对白体：绝对白体：R=1，A=D=0对于大多数工程材料：对于大多数工程材料：A+R=1对于不含颗粒的气体：对于不含颗粒的气体：A+D=1硅酸盐工业热工基础74.黑体辐射模型黑体辐射模型 小孔尺寸愈小小孔尺寸愈小愈接近黑体愈接近黑体在空心体的壁面在空心体的壁面上所开的小孔上所开的小孔具有黑体的性质具有黑体的性质1).1).黑体概念黑体概念黑体：黑体：是指能吸收投入到其面是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。工制造出近似的人工黑体。硅酸盐工业热工基础82.3.2热辐射的基本热辐射的基本定律定律 2.3.2.1Planck辐射定律辐射定律(第一个定律第一个定律)（1 1）辐射能力和辐射强度）辐射能力和辐射强度 辐射能力辐射能力符号：符号：“E”单位：单位：W/m2物体每单位表面积，在单体时物体每单位表面积，在单体时间内向半球空间辐射出去的波间内向半球空间辐射出去的波长从长从0范围内的总能量范围内的总能量单色辐单色辐射力射力物体每单位表面积，在单体时间物体每单位表面积，在单体时间内向半球空间辐射出去的波长从内向半球空间辐射出去的波长从d范围内的辐射能力为范围内的辐射能力为dE，dE与波长间隔的比值与波长间隔的比值符号：符号：“E”硅酸盐工业热工基础9黑体：黑体：（2）普朗克辐射定律普朗克辐射定律 E曲线曲线硅酸盐工业热工基础10（1）某某一一波波长长的的单单色色辐辐射射能能力力随随温温度度升升高而增大；高而增大；（2）在在某某一一温温度度下下，其其辐辐射射辐辐射射能能力力随随波长而变化：波长而变化：0，E，00；，E，0；达到最高值后，达到最高值后，E，0。（3）温度愈高，最大辐射强度的波长愈温度愈高，最大辐射强度的波长愈短短（4）温度在）温度在2000K以下，辐射波长大部分以下，辐射波长大部分在在0.7610m的范围内，可见光比例相当小，的范围内，可见光比例相当小，可以忽略。但随温度升高，可见光比例在不断可以忽略。但随温度升高，可见光比例在不断增加增加。对对E曲线的讨曲线的讨论：论：硅酸盐工业热工基础112.3.2.2维恩偏移定律维恩偏移定律 数学表达式：数学表达式：物理意义：物理意义：最大辐射强度的波长与绝对温度的乘积为一常数最大辐射强度的波长与绝对温度的乘积为一常数 2.3.2.3斯蒂芬斯蒂芬波尔茨曼定律波尔茨曼定律(第二个定律第二个定律)数学表达式：数学表达式：（W/m2）物理意义物理意义：说明黑体的辐射能力与其绝对温度的四次方成正比说明黑体的辐射能力与其绝对温度的四次方成正比。硅酸盐工业热工基础122.3.2.4灰体的特性灰体的特性（1）黑度与灰体黑度与灰体 单色黑度单色黑度理想灰体（简称灰体）理想灰体（简称灰体）硅酸盐工业热工基础13 灰体灰体灰体辐射能力灰体辐射能力黑度黑度物体辐射能力与同温度物体辐射能力与同温度下黑体辐射能力的比值下黑体辐射能力的比值硅酸盐工业热工基础142.3.2.5 Lambert 定律定律(黑体辐射的第三个基本定律黑体辐射的第三个基本定律)(1(1）方向辐射力）方向辐射力 表面表面dFdF1 1在单位时间内，单位面积与表面法线方向呈在单位时间内，单位面积与表面法线方向呈 角的角的P P方向上，单位立体角内发射的能量。方向上，单位立体角内发射的能量。(2(2）辐射强度）辐射强度 表面表面dFdF1 1在单位时间内，与辐射方向相垂直的单位面积上，在单位时间内，与辐射方向相垂直的单位面积上，单位立体角内发射的能量。单位立体角内发射的能量。硅酸盐工业热工基础15 对于黑体，在半球面空间内各个方向上的辐射对于黑体，在半球面空间内各个方向上的辐射强度为定值强度为定值微元黑表面在半球空间内的总辐射力微元黑表面在半球空间内的总辐射力E E0 0硅酸盐工业热工基础16(3)立体角立体角定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，定义：球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：单位：sr(球面度球面度)硅酸盐工业热工基础17积分，得到：积分，得到：硅酸盐工业热工基础18当外界的辐射投入到物体表面上时，该物体对投入当外界的辐射投入到物体表面上时，该物体对投入辐射吸收的情况又是如何呢？辐射吸收的情况又是如何呢？2.3.2.6 Kirchhoff（基尔霍夫）基尔霍夫）定律定律黑体空腔黑体空腔E0FAEF硅酸盐工业热工基础19即：即：基尔霍夫定律另一表达式：基尔霍夫定律另一表达式：任何物体的吸收任何物体的吸收率等于同温度下率等于同温度下的黑度的黑度A=基尔霍夫恒等式基尔霍夫恒等式硅酸盐工业热工基础20l单色吸收率单色吸收率 物体对某种波长辐射能的吸收率称为单色吸收率，用物体对某种波长辐射能的吸收率称为单色吸收率，用A表示表示 黑体的黑体的A A不随波长变化而变化，且等于不随波长变化而变化，且等于1 1；灰体灰体A A的也不随波长变化而变化，且小于的也不随波长变化而变化，且小于1 1；实际物体的实际物体的A A随波长变化而变化，但在波长随波长变化而变化，但在波长1 1大于的热射线范围，大于的热射线范围，A A随波长变化很小，可看作为常数随波长变化很小，可看作为常数 硅酸盐工业热工基础21对于两个温度不同的物体：对于两个温度不同的物体：1 1）只与本身特性有关，而只与本身特性有关，而A A既与本身特性有关，既与本身特性有关，又与投入物体的特性有关，又与投入物体的特性有关，2 2）只有当）只有当E E,T2,T2=E=E 0,T2,和A,T2=,T2 硅酸盐工业热工基础222.3.3固体间的辐射传热固体间的辐射传热 2.3.3.1角系数角系数从微元面从微元面dF1投向投向dF2，每单位立体角单位时间、单位，每单位立体角单位时间、单位面积的辐射能量为：面积的辐射能量为：空间热阻空间热阻表面热阻表面热阻辐射换热的热阻辐射换热的热阻硅酸盐工业热工基础23从微元面从微元面dF1投射到投射到dF2的辐射能量为：的辐射能量为：同理，从微元面同理，从微元面dF2投射到投射到dF1的辐射能量为：的辐射能量为：两微元面两微元面dF1、dF2的净辐射换热量为：的净辐射换热量为：硅酸盐工业热工基础24两黑体两黑体1、2之间的净辐射换热量为：之间的净辐射换热量为：因为因为硅酸盐工业热工基础25Q1,2/Q1,0表示黑体表示黑体1向半球空间辐射的能量投射到黑体向半球空间辐射的能量投射到黑体2表面上的百分数，称为表面上的百分数，称为角系数角系数，用，用 表示表示1,2F1对F2的角系数 F2对F1的角系数 表示一个物体的辐射热量表示一个物体的辐射热量落到另一个物体上的分数落到另一个物体上的分数 角系数角系数硅酸盐工业热工基础26净辐射换热量可改写为净辐射换热量可改写为硅酸盐工业热工基础272.3.3.2角系数的性质角系数的性质 相对性相对性 完整性完整性 硅酸盐工业热工基础28一个物体表面辐射出去的热量，可能投向自身平面和凸面：平面和凸面：110 凹面：凹面：110自见性自见性硅酸盐工业热工基础29123透热体透热体兼顾性兼顾性分解性分解性硅酸盐工业热工基础30常见的几种角系数值常见的几种角系数值 A A、两个无限大的平行平面两个无限大的平行平面(如图如图a)B B、一个平面一个平面1 1和一个曲面和一个曲面2 2组成的封闭体系组成的封闭体系(如图如图 b)b)硅酸盐工业热工基础31C C、一个物体一个物体1 1被另一个物体被另一个物体2 2包围包围(如图如图c)D D、两个曲面组成的封闭体系两个曲面组成的封闭体系(如图如图d)硅酸盐工业热工基础322.3.3.3灰体间的辐射传热灰体间的辐射传热 灰体的有效辐射灰体的有效辐射 离开表面的净辐射换热量离开表面的净辐射换热量 当当A=时时 灰体辐射换热的表面热阻 硅酸盐工业热工基础33l两个黑体间的辐射传热两个黑体间的辐射传热 空间热阻空间热阻 E01E02黑休辐射传热黑休辐射传热的电热网络图的电热网络图 硅酸盐工业热工基础34两灰体表面间的净辐射换热两灰体表面间的净辐射换热:电网络单元两个灰体表面间的辐两个灰体表面间的辐射传热的电网络图射传热的电网络图 硅酸盐工业热工基础35系统的导来黑度系统的导来黑度:两灰体表面间辐射换热计算式两灰体表面间辐射换热计算式:影响其辐射传热的三个基本因素：影响其辐射传热的三个基本因素：两灰体的温度差、角系数和系统的导来黑度。两灰体的温度差、角系数和系统的导来黑度。它是考虑由于灰体系统多次吸收与反射对换热量影它是考虑由于灰体系统多次吸收与反射对换热量影响的因子。响的因子。硅酸盐工业热工基础36几种特殊情况：几种特殊情况：两个物体均为无限大的平行平面两个物体均为无限大的平行平面 如果两平行平面中：如果两平行平面中：12（或或21）则：则：122（或或121）硅酸盐工业热工基础37当两个物体中有一个为凸面（或平面）时：当两个物体中有一个为凸面（或平面）时：如果两物体中，如果两物体中，F2F1，则：则：121。硅酸盐工业热工基础38【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【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硅酸盐工业热工基础39下面再来看一下三个表面的情况，与两个表面相似，下面再来看一下三个表面的情况，与两个表面相似，首先需要画出等效网络，见图所示，然后，列出各节首先需要画出等效网络，见图所示，然后，列出各节点的电流方程。点的电流方程。硅酸盐工业热工基础40节点节点 的热流方程如下：的热流方程如下：求解上面的方程组，再计算净换热量。求解上面的方程组，再计算净换热量。硅酸盐工业热工基础41A A 画等效电路图；画等效电路图；B B 列出各节点的热流列出各节点的热流(电流电流)方程组；方程组；C C 求解方程组，以获得各个节点的等效辐射；求解方程组，以获得各个节点的等效辐射；D D 利用公式利用公式 计算每个表面的净辐计算每个表面的净辐 射热流量。射热流量。总结上面过程，可以得到应用总结上面过程，可以得到应用网络法的基本步骤网络法的基本步骤如下：如下：硅酸盐工业热工基础422.3.3.4遮热板和遮热罩遮热板和遮热罩 为简单起见，假设为简单起见，假设 ，则上式变为，则上式变为硅酸盐工业热工基础43现在在两面之间插入一块发射率仍为现在在两面之间插入一块发射率仍为 的遮热板，的遮热板，这样就组成了两个换热系统，这样就组成了两个换热系统，稳态时有稳态时有:可见，与没有遮热板时相比，辐可见，与没有遮热板时相比，辐射换热量减小了一半。射换热量减小了一半。例例2 2：两两平平行行无无限限大大平平壁壁，发发射射率率 10.5;2=0.8;中中间间遮遮热热板板的的发发射射率率 31 32=0.05，求求辐辐射射换换热热减减少少的的百百分分数。数。分析：分析：未加遮热板时，未加遮热板时，解得解得加遮热板后，加遮热板后，其中其中由于是无限大平壁，消去由于是无限大平壁，消去 A1=A2=A3=F于是，有于是，有又又故得故得于是于是辐射换热减少：辐射换热减少：硅酸盐工业热工基础462.3.5 气体辐射气体辐射 2.3.5.1 气体辐射的特点气体辐射的特点 1、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是在整个容积中进行的 固液的辐射和吸收在表面，气体在整个空间。固液的辐射和吸收在表面，气体在整个空间。就吸收而言，投射到气体层界面上的辐射能要在辐就吸收而言，投射到气体层界面上的辐射能要在辐射行程中被吸收减弱；就辐射而言，气体层界面上的辐射行程中被吸收减弱；就辐射而言，气体层界面上的辐射能为达到界面上的整个容积气体的辐射。射能为达到界面上的整个容积气体的辐射。在论及气体的发射率和吸收比时，除其他条件外，在论及气体的发射率和吸收比时，除其他条件外，还必须说明气体所处容积的形状。还必须说明气体所处容积的形状。硅酸盐工业热工基础472、气体辐射对波长具有选择性、气体辐射对波长具有选择性I,0Ixx=0 x=lxdxI,l固体表面的辐射和吸收光谱具有连续性，但气体的固体表面的辐射和吸收光谱具有连续性，但气体的辐射和吸收具有明显选择性；只能辐射和吸收某一辐射和吸收具有明显选择性；只能辐射和吸收某一定波长范围内的能量。利用这一性质可制成谱带分定波长范围内的能量。利用这一性质可制成谱带分析仪，分析物质的成份；析仪，分析物质的成份；硅酸盐工业热工基础482.3.5.22.3.5.2气体的黑度气体的黑度 和吸收率和吸收率1气体的黑度气体的黑度硅酸盐工业热工基础49修正：修正：即即:烟气的黑度烟气的黑度：据公式画出二氧化碳的黑度和水蒸气的黑度图，使用时直接查图。硅酸盐工业热工基础50（2 2）气体的吸收率）气体的吸收率 烟气的吸收率烟气的吸收率：条件黑度：条件黑度：据CO2的黑度图查得据H2O的黑度图查得近似计算可不修正硅酸盐工业热工基础512.3.5.32.3.5.3气体与外壳间的辐射换热气体与外壳间的辐射换热设温度为设温度为Tw的黑体外壳，内部充满温度为的黑体外壳，内部充满温度为Tg的吸收性气体，气的吸收性气体，气体的黑度和吸收率为体的黑度和吸收率为g g和和AgAg，此时气体与黑外壳之间的净辐射，此时气体与黑外壳之间的净辐射换热量：换热量：外壳为黑体时，外壳为黑体时，气体的有效辐射气体的有效辐射硅酸盐工业热工基础52外壳的有效辐射外壳的有效辐射气体失去的热量等于外壳得到的热量气体失去的热量等于外壳得到的热量硅酸盐工业热工基础53对于外壳对于外壳Aw=w，硅酸盐工业热工基础542.3.6火焰辐射火焰辐射 （1）净净化化的的气气体体燃燃料料完完全全燃燃烧烧时时，烟烟气气的的主主要要成成分分是是CO2、H2O和和N2，固固体体微微粒粒很很小小，可可用用上上述述气气体体辐辐射射公公式式计计算其黑和吸收率。算其黑和吸收率。（2）有有灰灰分分的的燃燃料料燃燃烧烧或或无无灰灰分分的的燃燃料料不不完完全全燃燃烧烧时时，不不仅仅有有气气体体辐辐射射，同同时时还还存存在在固固体体微微粒粒的的辐辐射射，并并且且微微粒粒起决定性作用。起决定性作用。（3）影响火焰中微粒的数量的因素）影响火焰中微粒的数量的因素 燃料种类、燃烧方法、窑炉形状及大小、供应空气的数燃料种类、燃烧方法、窑炉形状及大小、供应空气的数量及方式量及方式2.3.6.1 火焰特征火焰特征