化工原理：傳熱-2015-3熱輻射

1、4.4 熱輻射熱輻射4.4.1 基本概念基本概念4.4.2 輻射傳熱基本定律輻射傳熱基本定律4.4.3 兩固體間的輻射傳熱兩固體間的輻射傳熱4.4.4 影響輻射傳熱的因素影響輻射傳熱的因素4.4.5復合傳熱與設備熱損失的計算復合傳熱與設備熱損失的計算4.4.1 基本概念基本概念輻射能：輻射能：以電磁波形式傳遞的能量，其傳遞過程以電磁波形式傳遞的能量，其傳遞過程不需要通過介質(zhì)。不需要通過介質(zhì)。輻射能的來源：輻射能的來源：物體中物體中電子振動或激發(fā)電子振動或激發(fā)的結果。的結果。電磁波的范圍：電磁波的范圍：其波長范圍為其波長范圍為0，具體分為：，具體分為：X射線、紫外線、可見光、紅外線和無線電波等。

2、射線、紫外線、可見光、紅外線和無線電波等。任何物體，只要絕對溫度不是零度，都會不停地以電磁波的任何物體，只要絕對溫度不是零度，都會不停地以電磁波的形式向外界形式向外界輻射能量輻射能量。同時，又不斷。同時，又不斷吸收吸收來自其他物體的輻來自其他物體的輻射能。射能。輻射的基本概念輻射的基本概念3吸收吸收熱熱能能 低溫物體低溫物體熱能高溫高溫物體物體輻射能流（熱射線）輻射能流（熱射線）GGRGDGA穿透穿透 與中間介質(zhì)無關與中間介質(zhì)無關而由電磁波傳輸而由電磁波傳輸反射反射 用冰制成的冷的透鏡聚焦太陽的用冰制成的冷的透鏡聚焦太陽的輻射熱可使黑紙燃燒，并在發(fā)出輻射熱可使黑紙燃燒，并在發(fā)出可見光的同時向外

3、可見光的同時向外輻射熱能輻射熱能高溫物體的熱能以高溫物體的熱能以電磁波的形式電磁波的形式傳遞給低溫物體傳遞給低溫物體 熱輻射：物體由于熱輻射：物體由于熱的原因熱的原因引起的電磁波輻射引起的電磁波輻射 熱輻射熱輻射 thermal radiation u物體不停地向空間物體不停地向空間發(fā)出發(fā)出熱輻射，同時又不斷熱輻射，同時又不斷地地吸收吸收其它物體發(fā)出的熱輻射。其它物體發(fā)出的熱輻射。u當物體向外界當物體向外界輻射的能量輻射的能量與其從外界與其從外界吸收的吸收的能量能量不相等，該物體與外界就不相等，該物體與外界就產(chǎn)生熱量的傳遞產(chǎn)生熱量的傳遞。熱射線主要熱射線主要0.11000.1100 mm，包括

4、部分紫外線、全部可，包括部分紫外線、全部可見光和紅外線。見光和紅外線。例：例：室溫下呈黑色的鐵棒在室溫下呈黑色的鐵棒在爐中加熱時，顏色漸呈暗紅、爐中加熱時，顏色漸呈暗紅、紅、橙黃，您知道為什么嗎？紅、橙黃，您知道為什么嗎？ 隨著鐵棒的加熱，溫度升高，其輻射能量最大的隨著鐵棒的加熱，溫度升高，其輻射能量最大的波長向短波方向移動，即經(jīng)歷了由遠紅外線、近紅外波長向短波方向移動，即經(jīng)歷了由遠紅外線、近紅外線到可見光區(qū)域，因而會呈現(xiàn)上述顏色變化。線到可見光區(qū)域，因而會呈現(xiàn)上述顏色變化。 輻射能量與波長和溫度有關輻射能量與波長和溫度有關溫度越高，波長越短溫度越高，波長越短輻射通過低溫區(qū)向人輻射通過低溫區(qū)向

5、人體傳熱體傳熱 由于太空的超真空環(huán)境是天由于太空的超真空環(huán)境是天然的熱絕緣體，使其高溫外然的熱絕緣體，使其高溫外壁不易冷卻，而壁不易冷卻，而輻射幾乎是輻射幾乎是唯一的散熱方式唯一的散熱方式 人體與墻壁間的傳熱方式主要是輻射人體與墻壁間的傳熱方式主要是輻射傳統(tǒng)工業(yè)中的輻射換熱問題傳統(tǒng)工業(yè)中的輻射換熱問題 太陽能熱水器是典型的利用輻射換熱原理太陽能熱水器是典型的利用輻射換熱原理 輻射傳熱應用輻射傳熱應用不同物體之間相互輻射與吸收過程的綜合結果不同物體之間相互輻射與吸收過程的綜合結果-以輻射方式進行的物體間的熱量傳遞以輻射方式進行的物體間的熱量傳遞輻射輻射傳熱傳熱。 (1) 定義：定義：由熱運動產(chǎn)生

6、的，以電磁波形式傳遞的能量由熱運動產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞的能量熱輻射特點熱輻射特點保溫瓶的散熱保溫瓶的散熱-保溫瓶夾層中主要依靠輻射傳熱保溫瓶夾層中主要依靠輻射傳熱 1）只要物體溫度只要物體溫度T0KT0K，物體就有輻射本領；，物體就有輻射本領； 2 2）存在近程及遠程效應）存在近程及遠程效應( (近在咫尺，遠至天體近在咫尺，遠至天體) )； 3 3）存在熱動平衡（）存在熱動平衡（吸收和發(fā)射吸收和發(fā)射）；）； 4 4）在高溫時更加重要，與溫度成正比；）在高溫時更加重要，與溫度成正比； 5 5）存在著）存在著吸收，反射與穿透；吸收，反射與穿透； 6 6）物性）物性隨波長和方向而隨波長和方向而變

7、；變；7 7）無須任何介質(zhì)，可以）無須任何介質(zhì)，可以穿過真空和低溫穿過真空和低溫。輻射傳熱基本特點輻射傳熱基本特點: : 與導熱和對流傳熱不同，輻射傳熱與導熱和對流傳熱不同，輻射傳熱無需任何介無需任何介質(zhì)質(zhì)，所以不僅要研究相距很近的物體之間的輻射傳熱，所以不僅要研究相距很近的物體之間的輻射傳熱，有時還需要研究相距很遠的物體（如太陽和地球）之有時還需要研究相距很遠的物體（如太陽和地球）之間的輻射傳熱。間的輻射傳熱。 在輻射傳熱過程中，不僅存在著在輻射傳熱過程中，不僅存在著能量的轉移，能量的轉移，還存在著能量形式還存在著能量形式的轉換，即發(fā)射時由的轉換，即發(fā)射時由熱能先轉化為熱能先轉化為輻射能輻射

8、能，而被吸收時再由輻射能轉化為熱能，而被吸收時再由輻射能轉化為熱能。輻射傳熱與導熱、對流傳熱的不同點輻射傳熱與導熱、對流傳熱的不同點 輻射力與其熱力學溫度的輻射力與其熱力學溫度的四次方成四次方成正比，因正比，因此，此，輻射傳熱在高溫輻射傳熱在高溫時顯得更為重要。時顯得更為重要。 物體的物體的發(fā)射和吸收持性發(fā)射和吸收持性不僅與自身溫度及表不僅與自身溫度及表面狀況有關，而且還隨發(fā)射的面狀況有關，而且還隨發(fā)射的波長和方向波長和方向而異，因此，而異，因此，輻射傳熱遠比導熱和對流傳熱復雜。輻射傳熱遠比導熱和對流傳熱復雜。14輻射能的吸收、反射和透射能量守恒定律：能量守恒定律：DRAQQQQ 吸收率吸收率

9、 反射率反射率 穿透率穿透率 AQQ ARQQ RDQQ D1 DRA 物體對熱輻射的作用物體對熱輻射的作用總能量總能量Q；被物體吸收；被物體吸收QA ；被反射；被反射QR ；穿過物體；穿過物體QD 反射輻射透過吸收QQAQRQD理想輻射模型理想輻射模型：黑體：黑體： A=1A=1 白體：白體： R R=1=1 透明體：透明體： D D=1=1黑體黑體能能全部吸收輻射能全部吸收輻射能的物體，的物體，A=1A=1自然界中無絕對黑體存在，有些自然界中無絕對黑體存在，有些物體如無光澤的黑漆表面、煤炭：物體如無光澤的黑漆表面、煤炭：A=0.96A=0.960.980.98，比較接近于黑體。，比較接近于

10、黑體。黑體黑體A A最大，具有最大的輻射能力。最大，具有最大的輻射能力。一一種科學假想的物體，種科學假想的物體，引入黑體引入黑體只是作為實際物體的比較標準。只是作為實際物體的比較標準?？梢匀斯ぶ圃斐鼋频娜斯ず隗w可以人工制造出近似的人工黑體。 圖示窗口是黑體模圖示窗口是黑體模型的一個實例型的一個實例 黑體模型黑體模型鏡體鏡體(絕對白體絕對白體)能全部能全部反射輻射能反射輻射能的物體，的物體，R=1。實際上鏡體也是不存在的，但有些物體實際上鏡體也是不存在的，但有些物體如表面磨光的銅，磨光的金子反射比幾如表面磨光的銅，磨光的金子反射比幾乎等于乎等于0.98，R=0.97，接近于白體。，接近于白體。

11、透熱體透熱體能全部透過輻射能的物體，即能全部透過輻射能的物體，即D=1D=1的物體。的物體。單原子和對稱雙原子構成的單原子和對稱雙原子構成的氣體氣體(H(H2 2、N N2 2、O O2 2和和HeHe等等) )一般可視為透熱體一般可視為透熱體常溫下常溫下空氣空氣對熱射線呈現(xiàn)透明的性質(zhì)。對熱射線呈現(xiàn)透明的性質(zhì)。以相同吸收率以相同吸收率A部分吸收部分吸收0全部波長輻射能的全部波長輻射能的物體。物體。大多數(shù)大多數(shù)工程材料均可按灰體工程材料均可按灰體處理。處理?；殷w的特點：灰體的特點：灰體為不透熱體，即灰體為不透熱體，即D=0或或AR=1吸收率吸收率A不隨波長不隨波長變化變化 灰灰 體體物體的物體的

12、A、R和和D是和物體的性質(zhì)、表面狀況，所是和物體的性質(zhì)、表面狀況，所處溫度和投射輻射線的波長等有關，一般地：處溫度和投射輻射線的波長等有關，一般地：多數(shù)固體和液體：多數(shù)固體和液體：不透熱體，即不透熱體，即D=0或或AR=1 。不含顆粒的氣體：不含顆粒的氣體：不反射能量，即不反射能量，即R=0或或AD=1。u物體物體發(fā)射發(fā)射特定波長的能力稱為特定波長的能力稱為單色輻射能力單色輻射能力，用用E表示，單位表示，單位W/m2m。EddEElim1、輻射能力、輻射能力u物體在一定溫度下，單位表面積、單位時間內(nèi)所能發(fā)射出的物體在一定溫度下，單位表面積、單位時間內(nèi)所能發(fā)射出的全部波長范圍的總能量，稱為該溫度

13、下物體的全部波長范圍的總能量，稱為該溫度下物體的輻射能力輻射能力，用，用E表示，單位表示，單位W/m2。0dEE4.2.2輻射基本定律輻射基本定律2 普朗克普朗克(MPlanck)定律定律 普朗克定律揭示了普朗克定律揭示了黑體的輻射能力按照波長的分配規(guī)律，黑體的輻射能力按照波長的分配規(guī)律，即表即表示黑體單色輻射能力示黑體單色輻射能力Eb和波長和波長、熱力學溫度、熱力學溫度T之間的函數(shù)關之間的函數(shù)關系，計算式為系，計算式為： 波長，波長，m；T 黑體的絕對溫度，黑體的絕對溫度，K；C1普朗克第一常數(shù)，普朗克第一常數(shù)，3.74310-16 m2；C2普朗克第二常數(shù)，普朗克第二常數(shù)，1.438710

14、-2 mK。 1251TcbecE25000024610850001500035000200001000030000140012001000800600/m1.155106E,0 / Wm-2 普朗克定律圖示d.00EE力為此溫度下黑體發(fā)射能連續(xù)變化，曲線下面積隨圖圖 Planck Planck 定律的圖示定律的圖示黑體單色光譜輻射力隨波長和溫度的依變關系黑體單色光譜輻射力隨波長和溫度的依變關系School of Chemical and Energy Engineering, SCUT 博學博學 慎思慎思 明辨明辨 篤行篤行2500002461085000150003500020000100

15、0030000140012001000800600/m1.155106E,0 / Wm-2d110 1210 10210310410610 510 410 310 無無線線電電波波紅紅外外線線可可見見光光紫紫外外線線倫倫琴琴射射線線 射射線線Thermal radial mSchool of Chemical and Energy Engineering, SCUT 博學博學 慎思慎思 明辨明辨 篤行篤行),(,TfEb,bETmmT0，）（E 每一溫度下，均有一波長每一溫度下，均有一波長m使使Eb(光譜輻射光譜輻射力力)最大；最大； Tm8 .2897維恩位移定律： 黑體輻射函數(shù)黑體輻射函數(shù)

16、 在實際中，有時需求出某一特定波長的輻射能在實際中，有時需求出某一特定波長的輻射能量。即圖中的在量。即圖中的在 1 1和和 2 2之間的線下面積。黑體在波長之間的線下面積。黑體在波長1 1和和2 2區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力，如圖所示：區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力，如圖所示： 圖圖 特定波長區(qū)段內(nèi)的黑體輻射力特定波長區(qū)段內(nèi)的黑體輻射力40TdEEbb 某一溫度下曲線與橫軸之間的面積即代表了該溫度下的某一溫度下曲線與橫軸之間的面積即代表了該溫度下的總輻射力總輻射力3 斯蒂芬斯蒂芬-波爾茨曼波爾茨曼(JStefan-D.Boltzman)定律定律 黑體的輻射能力與其表面溫度的關系黑體的輻射能力與其表面溫度的關系

17、： 0黑體的輻射常數(shù)，黑體的輻射常數(shù)，5.6710-8 W/(m2K4) C0黑體的輻射系數(shù)，黑體的輻射系數(shù)，5.67 W/(m2K4)。 說明說明黑體的輻射能力與其表面溫度的四次方成正黑體的輻射能力與其表面溫度的四次方成正比比-四次方定律。四次方定律。44051010012TCTEecEdEEobTcbbb灰體：灰體：C灰體的輻射系數(shù)，灰體的輻射系數(shù)，C= C0 物體的黑度物體的黑度04400100100EETCTCEE同一溫度下，同一溫度下，灰體的輻射能力總是小于黑體灰體的輻射能力總是小于黑體30的關系吸收率灰體發(fā)射能力AE A發(fā)射輻射能全部被B吸收。 B發(fā)射輻射能發(fā)射輻射能： 部分被A吸

18、收 - ； 部分被A反射 - ；01EA0101)1 (EAER熱平衡時，對灰體而言：熱平衡時，對灰體而言：吸收輻射能發(fā)射輻射能 011EAE 即：1EbAE0E0)1 (EA4 克?；舴蚩讼；舴?Kirchhoff)定律定律 A-灰體 B-黑體黑體物體的輻射能力物體的輻射能力E與吸收率與吸收率A之間的關系。之間的關系。E1E0A1E0(1A1)E0灰灰體體黑黑體體011011EAEEAE)(100400332211TfTCEAEAEAEAE 任何物體的任何物體的輻射能力與其吸收率輻射能力與其吸收率的的比值恒等于同溫度下黑體的輻射能比值恒等于同溫度下黑體的輻射能力，并且只和物體的絕對溫度有關。

19、力，并且只和物體的絕對溫度有關。bEEA11變形： 物體的吸收率物體的吸收率A A愈大，其輻射能力愈大，其輻射能力E E也愈大；也愈大； A=A=，即，即灰體的吸收率在數(shù)值上等于同溫度下該灰體的吸收率在數(shù)值上等于同溫度下該物體的黑度物體的黑度。因此若測定出了物體的黑度，即可知其。因此若測定出了物體的黑度，即可知其吸收率和輻射能力。吸收率和輻射能力。 但但A A、物理意義不同物理意義不同 ：A A：吸收率：吸收率，由其它物體發(fā)射來的輻射能可被該物體，由其它物體發(fā)射來的輻射能可被該物體吸收的分數(shù)；吸收的分數(shù)；：黑度：黑度，物體的輻射能力占黑體輻射能力的分數(shù)，物體的輻射能力占黑體輻射能力的分數(shù)因物體

20、的因物體的A A測定比較困難，工程計算中常用測定比較困難，工程計算中常用代替。代替。4.4.3 兩固體間的輻射傳熱兩固體間的輻射傳熱12E1R2E1R22R12E1R2R1E1R22R1E1R23R12E1R23R13E1R24R13E11、不考慮幾何因素、不考慮幾何因素面積很大，距離很近，兩大平行灰面積很大，距離很近，兩大平行灰體平板間的相互輻射。體平板間的相互輻射。42412121100100SqSTTC，則輻射傳熱速率為：若平行平板的面積均為 化工生產(chǎn)中常遇到的固體壁面可按灰體處理化工生產(chǎn)中常遇到的固體壁面可按灰體處理；2、考慮幾何因素、考慮幾何因素 當兩壁面間距離與表面積之比不夠小時，

21、一壁面當兩壁面間距離與表面積之比不夠小時，一壁面發(fā)射的輻射能可能不能完全到達另一壁面時，引發(fā)射的輻射能可能不能完全到達另一壁面時，引入一角系數(shù)入一角系數(shù) 進行修正，即：進行修正，即： 42412121100T100TSCq：角系數(shù)：角系數(shù) (總能量被壁面攔截分率總能量被壁面攔截分率)。=f=f (兩壁面形狀，大小，相對位置，距離等）兩壁面形狀，大小，相對位置，距離等）35 氣體的熱輻射氣體的熱輻射 氣體氣體：單、對稱雙原子氣體（H2、O2、空氣） 近似透熱體，透熱體，無吸收、發(fā)射能力 多原子氣體(CO2、H2O蒸汽) 高溫時具有很強發(fā)射和吸收能力。高溫時具有很強發(fā)射和吸收能力。氣體熱輻射特點：

22、氣體熱輻射特點： * 選擇性選擇性 只發(fā)射和吸收某一波長范圍的輻射能； * 容積輻射特性容積輻射特性 吸收和發(fā)射在整個體積內(nèi)進行。氣體發(fā)射能力：氣體發(fā)射能力：400)100(ggggTCEE),(lPTfgg4.4.4 影響輻射傳熱的因素影響輻射傳熱的因素1. 溫度的影響溫度的影響 T4；低溫可忽略，高溫可能成為主要方式；低溫可忽略，高溫可能成為主要方式 2. 幾何位置的影響幾何位置的影響 3. 表面黑度的影響表面黑度的影響 ，可通過改變，可通過改變 大小強化或減小輻射傳熱大小強化或減小輻射傳熱 4. 輻射表面間介質(zhì)的影響輻射表面間介質(zhì)的影響 減小輻射散熱，在兩換熱面加遮熱板（減小輻射散熱，在

23、兩換熱面加遮熱板（ 小熱屏）小熱屏）37 同時存在兩種以上傳熱方式的綜合傳熱現(xiàn)象。例例：設備表面的熱損失，對流對流 + + 熱輻射熱輻射 間壁換熱過程中，對流對流 + + 導熱導熱 (2) 設備熱損失計算設備熱損失計算4.4.5 復合傳熱與設備熱損失的計算復合傳熱與設備熱損失的計算 (1) 復合傳熱復合傳熱)()(輻射對流RcQQQ)(ttAQwwcc對流傳熱：4421)100()100(:TTACQwwR輻射傳熱)(ttAwwRtw環(huán)環(huán)境境 tcRttCwTTRw44)100()100(21輻射表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：熱損失熱損失：38RcT系數(shù)：對流輻射聯(lián)合表面?zhèn)鳠?經(jīng)驗關聯(lián)式：經(jīng)驗關聯(lián)式： 空氣自

24、然對流時，空氣自然對流時， 平壁保溫層外 ： 圓管保溫層外 ： )(07. 08 . 9ttwT)(052. 04 . 9ttwTwwTwwRcAttttAQ)()()(:熱損失空氣沿粗糙表面強制對流時，空氣沿粗糙表面強制對流時，空氣流速 u5m/s T=6.2+4.2u 空氣流速 u5m/s T=7.8u0.78 39(3) 絕熱層的臨界半徑絕熱層的臨界半徑設穩(wěn)態(tài)傳熱，管道外表面與環(huán)境間熱損失為：RtTiiLrLrrtt00212lnhtit1R1tR2triro絕熱層的分析示意圖40maxrcr 熱損失與絕熱層外半徑的關系有極大值時， QdrRd0)(0max:QQrTc時，保溫層臨界半徑時，管道外半徑cirr 時，管道外半徑cirr 增加絕熱層厚度，熱損失一定減小。增加絕熱層厚度，熱損失可能增加，果。時，才一定起到保溫效結論：管道外半徑cirr 41保溫層的選擇：保溫層的選擇：對需保溫的管子，ri一定。如果要滿足保溫條件，應從、T兩方面考慮，選擇合適的保溫層材質(zhì)。絕熱層的臨界厚度為絕熱層的臨界厚度為： iccrrbr1r2r3圓管外的保溫【例例】室內(nèi)有一高和寬均為室內(nèi)有一高和寬均為3m、黑度為、黑度為0.78的爐的爐門其溫