傳熱學(xué)教學(xué)課件：heat transfer(phase change-radiation)3.1

1、第十七講第十七講 5. 熱輻射 (thermal radiation) 5.1 熱輻射的基本慨念 熱輻射的形式 輻射速度 輻射波長 輻射強度 輻射與吸收 l 熱輻射的形式 熱與電磁波兩種能量形式可以相互轉(zhuǎn)換，物體具 有的熱能以電磁波形式輻射，物體在接受輻射波 過程中又將電磁波轉(zhuǎn)化成熱能 任何溫度高于絕對溫度的物體都具有熱輻射能力 可以通過真空輻射，而且效率最高 l 輻射速度與波長 光速 3.0108 m.s-1 波長 頻率 cf 0.1100 m 10-510-410-310-210-1110102103104 m ray X ray ultraviolet thermal radiation

2、 infrared microwave visible 0.380.76 m 可見光 熱輻射 l 表面輻射與容積輻射 氣體及透明固體與液體，容積輻射； 一般不透明固體與液體，表面輻射（由表面約1um的分子 運動產(chǎn)生輻射）。 l 表面輻射的兩個基本特性 Directional distribution Wavelength Emission blackbody 5.2. 黑體輻射（blackbody radiation) 理想物體 無論輻射的波長如何，方向如何，能被黑 體全部吸收； 對于同一溫度，同波長輻射能力最大，且 與方向無關(guān)（diffuse emitter, 散射體） l 輻射與吸收 反射

3、 吸收 透射 1 吸收比反射比透射比 黑體：1 鏡體反射 漫反射 鏡體： 1 0氣體： 或很小 1 , 5 2 ( , ) exp(/) 1 b C ET CT 0.110 0 110 Visible 5800 K 2000 K 300 K 3 2.9010. mT m K ()m 21 (.)E W mm 5.2.1 普朗克定律(Planck law) 輻射力與波長、溫度的關(guān)系輻射力與波長、溫度的關(guān)系 W.m-3 162 1 3.742 10.cW m 2 2 1.439 10.cm K m Wiens displacement law 5.2.2. Stanfan-Boltzman定律 4

4、 0 ( ) bb EEdT 黑體輻射常數(shù) 824 5.67 10.W mK 見表8-1（p360） 黑體的總輻射力與黑體的總輻射力與 溫度的關(guān)系溫度的關(guān)系 當實際物體的發(fā)射率隨波長變化時，需 要用黑體輻射函數(shù)計算 2 1 /5 0 0 (0) 44 1 cT b b c d E d e F TT 黑體輻射函數(shù) （T的函數(shù)） 對于整個波長段的輻射 0 ( , )( , ) ( ) ( ) ( )( ) b bb T ET d E T T E TE T 4 ( )( ) b E TE TT 1 2 3 1 2 3 1 23 12 12 1(02)(01)2(03)(02) ( , ) ( ) (

5、 , )( , ) ( ) b b bb b bbbb ET d E T ET dET d E T FFFF 5.2.3. Lambert 定律 d 2/2 00 sin2 h ddd d rd sinr r sinrd 2 sin n dArd d 2 sin n dA dd d r 球面度 經(jīng)度角 緯度角 對于半球 輻射強度與輻射方向的關(guān)系輻射強度與輻射方向的關(guān)系 dA cosdA d 定向輻射強度 W.m-2.sr-1.um-1 dA上發(fā)出、輻射到dAn上的熱流量 ( , , , ) cos d IT dAdd steradian 2/2 200 sincos bbb d EIddI d

6、A 對于黑體，與緯度、經(jīng)度無關(guān)對于黑體，與緯度、經(jīng)度無關(guān) 定向輻射常數(shù) Lambert law Diffuse emission 黑體輻射力是定向輻射常數(shù)的倍 ( )cos b dI T dAd ( ) cos b d I T dAd 5.3. 表面輻射(surface radiation) 對于實際物體，定向輻射能力與方向有關(guān) Directional distribution blackbody 發(fā)射率或黑度發(fā)射率或黑度 ( , , , ) ( , , , ) ( , ) b IT T IT 對于整個物體的 單波長輻射黑度 2/2 00 2/2 00 ( , , , )cos sin ( ,

7、 ) ( , )cos sin b ITd d T ITd d 2/2 00 1 ( , , , )cos sinTd d Diffuse 漫射體 1 1 實際物體 但與方向無關(guān) 幾種常見材料的法向發(fā)射率 n 溫度（C)材料 光澤鉻 1500.058 CrNi合金52-10340.64-0.76 光澤銀 200-6000.02-0.03 耐火磚 500-10000.8-0.9 木材 200.80-0.082 雪 00.8 水 0-100 0.96 玻璃 38-850.94 如圖所示，Ab、A1、A2為很微小表面（面積均為10-3 m2),其中Ab為黑體表面，垂直方向輻射強度I=7000 W.m

8、- 2.sr-1 求輻射到表面A1及A2的熱流量 例題1 Ab A1 A2 60 45 30 0.5m0.5m I=7000 W.m-2.sr-1 例題例題2 0 0.8 0.4 2 5 ()m 某一溫度為1600 K漫散射 表面，發(fā)射率如圖所示，求對 應(yīng)于全波長范圍的發(fā)射率，并 由公式 計算總輻射熱流量。 0 4 ET 作業(yè)：8-20 (數(shù)據(jù)補充： 波長范圍1- ） 5.4. 基爾霍夫定律(Kirchhoffs law)與灰體（gray body) 光譜吸收比（spectral absorptivity) 吸收某波長輻射能的比率 b E A EA 吸收比與發(fā)射率的關(guān)系吸收比與發(fā)射率的關(guān)系 任

9、何物體對黑體輻射的吸收比 等于同溫度下該物體的發(fā)射率 b E AEA b E E 當輻射或表面為漫射體（diffuse),即輻強度I或 與方向無關(guān)時 單波 傳熱平衡條件下 第十八講 灰體（理想物體）：發(fā) 射率及吸收比與波長無 關(guān) 1 2 3 1 0 灰體段 工程上很多問題可以用灰體來處理 , 0 , 0 ( , ) ( , ) b b ET d ET d 同理： 根據(jù)基爾霍夫定律 例題 如圖所示，磚墻表面溫度為 500K，燃燒中煤層表面溫度 為2000K,設(shè)墻體為漫射體， 發(fā)射率與波長關(guān)系如圖，煤層 至墻體的輻射可看成黑體，求： （1）墻面的發(fā)射率及輻射力； （2）墻體受煤層表面輻射的 吸收比

10、。 coal brick Tc=2000K Tb=500K 0.5 0.8 1.510 ()m 0.1 5.5.氣體輻射（gas radiation) p419-428 5.5.1. 氣體的定波長輻射特性 0.1110 100 H2O O3 ultraviolet infrared CO2 輻射波長也在紅外區(qū)域 Sun Esun 2.652.80 4.154.45 13.0 17.0 m m m 極性分子 吸收波長范圍與輻射波長范圍對應(yīng) O3, H2O, CO2 5.5.2. 氣體的容積輻射特性 平均射程平均射程 3.6 V s A 3 2 4 3 3.61.20.6 4 r srd r 3

11、2 3.60.6 6 b sb b b d squarecube ( , , )f T p s P424, 水蒸汽和二氧化碳的發(fā)射率計算 先根據(jù)氣體溫度和綜合參數(shù)ps,求出 然后根據(jù)氣體總壓和分壓進行校正 *(,) igi f Tp s * iii C i: CO2或水蒸汽 兩種情況，發(fā)射率一樣大？ P=2atm, pCO2/P =0.5 對于同一T和s P=1atm, pCO2/P =1 水蒸氣與CO2 共存情況 （自學(xué)） 為什么要進行校正？ 總壓大，發(fā)射率增大（p424) 5.5.3. 氣體層對輻射的吸收 dx x dI x 0 I dII dx 0 0 Ix I dI dx I 對于氣體

12、反射率 0 1 1 x e 吸收率與氣體 層厚度有關(guān) exp() o I x I exp() o I x I 5.5.4. 黑體箱內(nèi)氣體的輻射傳熱 Tw Tg 44 gggw qTT 氣體傳給箱壁的熱流密度 與溫度、氣體種類、壓力、平均射程長度有關(guān) 但可與發(fā)射率關(guān)聯(lián) 222 0.45 g H OH OH O w T C T 222 0.65 g COCOCO w T C T 其中， 2 H O 2 CO 仍用教材中圖31-34查出， 2 w H O g T ps T 分別代替Tg 2 H O ps 和 用Tw 2 w CO g T ps T 但需用Tw和 和 分別代替Tg和 2 H O ps

13、不是灰體，發(fā)不是灰體，發(fā) 射率與吸收率射率與吸收率 一般不等一般不等 水蒸氣與二氧化碳混合情況的發(fā)射率見p426 222222 w H O COH OH OCOCO T CC 根據(jù)pH2O/(pH2O+pCO2)修正 2222 w H O COH OCO T 混合氣體的吸收率 例題例題9-8 (p427) 在直徑為1 m, 長2 m的圓形煙道中，壁溫為527 ， 煙氣溫度為1027 ，壓力為105 Mpa, 其中CO2占 10%， 水蒸氣占8%，其余為不輻射氣體，（1）試計 算煙氣對整個筒壁（處理成封閉園筒）的平均發(fā)射率； （2）求煙氣對筒壁輻射的吸收比；（3）煙氣與筒壁 的熱輻射量。 自學(xué)

14、5.6. 環(huán)境輻射（environmental radiation) 5.6.1. 太陽輻射(solar radiation) 太陽輻射造就地球上的寶貴能源太陽輻射造就地球上的寶貴能源 l 化學(xué)能（chemical energy) 煤炭（coal)、石油 (petroleum)、天 然氣 （natural gas)、生物質(zhì)(biomass)等） l 太陽能（solar energy) l 水力能（hydropower) l 風能（wind power) 太陽輻射的波長范圍 0.23 m 0.48 m m 對應(yīng)輻射能最大的波長 太陽溫度（以黑體計算）3 2.9 10. mT m K 3 6 2.

15、9 10 6041() 0.48 10 TK 太陽輻射能量（以黑體計算） 48452 5.68 1060003.4 10 (.)ETW m 太陽直徑 9 1.39 10dm 292524 3.14 (1.39 10 )3.4 102.06 10d E （W） 輻射到地球外層的能量1.761017 W 17 8 24 1.76 10 8.5 10 2.06 10 地球分享的能量比 P380 5.6.2. 地球輻射 0.1110 100 H2O O3 ultraviolet infrared Sun Earth Esun Esun scale10-6 3 2.9 10. mT m K T=290

16、K 地球的溫度：吸收能量與發(fā)射能量的平衡如何？ ？ 22 ()(4) earthsunearthearth RqRT 2 1367 . sun wm 279TK 5.6.3. 溫室效應(yīng) greenhouse 0.312345 透射比（%） 50 100 4.8mm 大氣中CO2 濃度的影響 輻射波長在紅外區(qū)域 2.652.80 4.154.45 13.0 17.0 m m m 波長（um） 物體表面對太陽能的吸收比與低溫發(fā)射率 光澤鋁 光澤銅 老化銅 鑄鐵 紅磚 白色顏料 瀝青 鋪路石子 材料 0.15 0.18 0.65 0.94 0.75 0.12-0.16 0.90 0.29 黑漆0.9

17、7 (300K) 0.04 0.03 0.75 0.21 0.93 0.90-0.95 0.97 0.90 0.85 某一平板接受到太陽的照射的熱流密度為700 W.m-2, 環(huán)境溫度為25C,分別計算平板為石子材料和瀝青質(zhì)材 料時的表面平衡溫度（不考慮對流傳熱）。 思考題 如何對流傳熱系數(shù)為10 W.m-2.K-1式，情況又如何？ 第十九講 5.7. 固體表面間的輻射傳熱 5.7.1.角系數(shù)（view factor) r 2 1 X12= 1 2 dA1 dA2 從到的輻射能 的總輻射能 1111 12 11 cos b b IdAd X E dA 22 1 2 cosdA d r 1bb

18、EI 212 12 2 coscosdA X r 112 21 2 coscosdA X r 112221 dA XdA X 兩個黑體表面間的凈傳熱量 1211122221bb dAE XdA E X 當兩個黑體的溫度相 等時 4 12112221 ()0dA XdA XT 5.7.2 角系數(shù)的幾個基本性質(zhì) 112221 dA XdA X l 歸一性 (summation) l 相互對應(yīng)性 （reciprocity) X12 X13 X14 X11 l 疊加性 (superposition) 1 1 1 n n n X 對于兩個比較大的表面 12 1 1221 12 2 coscos1 AA

19、dA dA X Ar 5.7.3 角系數(shù)的計算方法 l 直接積分法 不同形狀表面間的角系數(shù) 例 如圖所示，平面Ai與直徑為D的圓形面Aj相距為L， 且AiAj，求Ai至Aj的角系數(shù)。 i A 12 j A 1 2 L D 12 2 coscos1 ij ijij AA i XdAdA AR 因為 ij AA 12 2 coscos j ijj A XdA R r 2222 /2 1 222 0 2 /2 2 22222 0 cos/() 2 () 2 ()4 j D ijj A D LrL XdArdr RrL rdrD L rLDL R l 代數(shù)分析法 A1 A2 A3 例，如圖所示封閉系統(tǒng)

20、，設(shè)直面方向很長，垂直于紙 面的兩個面相對很小，可以忽略，計算三個面A1、A2和A3 之間的角系數(shù) 根據(jù)角系數(shù)的基本性質(zhì)（對應(yīng) 性，歸一性和疊加性）計算角 系數(shù)的方法。 112221 113331 223332 1213 2123 3132 1 1 1 A XA X A XA X A XA X XX XX XX 根據(jù)角系數(shù)的基本性質(zhì)可得一下6個方程式 12 13 23 11 11 11 AA AA AA A 12 21 13 31 23 32 X X X X X X X 0 0 0 1 1 1 B 1 XA B 123 12 1 2 AAA X A 幾種幾何形狀的角 系數(shù)見P401-402 例

21、題 一個加熱爐，直徑75mm, 長150mm, 內(nèi)部空間熱 量只通過上方圓面向環(huán)境散熱，環(huán)境溫度為27 ，其 他部分均良好絕熱，熱傳遞可以忽略，側(cè)面和底部都可 以看成黑體輻射，溫度分別為1350 和1650 ，求穩(wěn) 定態(tài)時電爐的輸出功率。 d=75mm L=150mm T2=1650 T1=1350 q 5.7.2. 具有灰體和漫射體性質(zhì)物體間的輻射傳熱 如圖所示，兩個不同溫度表面構(gòu)成 以封閉系統(tǒng)，表面1至表面的輻射熱 流量怎么計算？ A1, T1 A2, T2 1 2 空間熱阻網(wǎng)絡(luò)計算法空間熱阻網(wǎng)絡(luò)計算法 GJ T A G為到達固體表面輻射力； J為固體表面輻射力 (1) (1) b b b

22、 JEG EG EG ( 11 bb AJAG JEAEAJ A J ） 凈熱流量 (1)/ b EJ A 1 b JE G 看成空間熱阻 J1 J2 12()111221221 12 112 1/() net J A XJ A X JJ A X Eb1J1 J2Eb2 1 11 1 A 2 22 1 A 112 1 A X 空間熱阻網(wǎng)絡(luò)示意圖空間熱阻網(wǎng)絡(luò)示意圖 例題，如圖所示，兩個不同溫度表 面構(gòu)成以封閉系統(tǒng)，求表面1至表面 的輻射熱流量 （用空間阻力網(wǎng)絡(luò)法 計算） A1, T1 A2, T2 1 2 Eb1J1 J2Eb2 1 11 1 A 2 22 1 A 112 1 A X 12 12

23、 12 12 1111222 111 bb EE AA XA 44 1212 12 () 1/1/1 TT q A 12 AA Infinite parallel planes 如圖所示，兩個無限大平行 平板(y和z方向相對于x方向 很大）的輻射熱流量 Eb1J1 J2 Eb2 1 11 1 A 2 22 1 A 12 12 12 12 1111222 111 bb EE AA XA 因為 12 12 1 AA X T1 T2 212 1 A X Infinite concentric cylinders 1212 1 / /0 AAr r rL 44 112 1122 () 1/(1/1)

24、A TT q r r 44 112 22 1122 () 1/(1/1) A TT q rr 22 1212 /AArr Concentric sphares 44 112 1122 () 1/(/)(1/1) A TT q AA 以上幾個公式的通式 第講 4 .換熱器（heat exchanger) 4.1換熱器的分類 間壁式(recuperators）：冷熱流通過壁傳熱交換 混合式：直接接觸熱交換 間壁式 套管式（double pipe) 管殼式 (shell and tube) 交叉流 (cross flow) 板式 （plate) 螺旋板 (spiral plate) Shell-tu

25、be heat exchanger 4.2. 簡單順逆流換熱器平均溫差計算 ,cc i m T , , ,h h i mT ,h o T , c o T Parallel-flow heat exchanger , c i T ,h i T ,h o T , c o T 1 T 2 T T dA , , hp hh cp cc dk TdA dm cdT dm cdT , () 11 () hc hp hcp c dTdTdT d m cm c , ()11 () hp hcp c dT kdA Tm cm c , 2 1 ()() ln() h ih oc ic o TTTTT kA T 2

26、1 2 1 ln() TT kA T T 21 2 1 ln() lm TT T T T , c i T ,h i T ,h o T , c o T Counterflow , c i T ,h i T ,h o T , c o T 1 T 2 T 21 2 1 ln() TT kA T T 2, 1, h oc i h ic o TTT TTT 逆流的對數(shù)平均值大于順流的對數(shù)平均值 4.3 多程換熱器（Multipass) 殼側(cè)一程、管側(cè)多程 , lmlm cf TT 逆流時的對數(shù)平均溫差 ti to Ti T0 管 殼 0i ii tt P Tt io oi TT R tt 0.21 2.

27、0 0 1 1 殼測兩程、交叉式的計算方法見p479-480 4.4. 傳熱系數(shù)的計算 11 ooo wi oooiii RAA RR khAh A 管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 管外污垢面積熱阻 肋效率 管外表面積 管內(nèi)表面積 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 管內(nèi)污垢面積熱阻 壁管導(dǎo)熱面積熱阻 1(1) () f of t c f c NA A th mL mL Af f t NA A 4.5. 換熱器的傳熱單元數(shù)法（the number of transfer units, NTU) 換熱器可能達到的最大熱流量 max, min(,)() hp hcp ch ic i m cm cTT , max, () min(

28、,)() hp hh ih o hp hcp ch ic i m cTT m cm cTT 換熱器效能 （Effectiveness) , min(,)() hp hcp ch ic o m cm cTT , , min max min(,) , (,) , hp hcp c hp hcp c m cm c fNTU max m cm c C fNTU C , min(,) hp hcp c kA NTU m cm c 看順流情況 , min(,) hp hcp chp h m cm cm c , max, , , () min(,)() hp hh ih o hp hcp ch ic i h

29、 ih o h ic i m cTT m cm cTT TT TT , min ,max min(,) (,) hp hcp chp h hp hcp ccp c m cm cm c C max m cm cm cC , ()11 () hp hcp c dT kdA Tm cm c 由 ,0, , ln(1) hp hhc o h ic ihp hcp c m CTT kA TTm Cm C minmin maxmax ln 1(1)(1) CC NTU CC min max min max 1 exp1 1 C NTU C C C 效能是 , , min(,) , (,) hp hcp c hp hcp c m cm c fNTU max m cm c P488-489 Example Hot exhaust gases, which enter a finned tube, cross flow exchanger at 300 and leave at 100 , are used to heat pressurized water