ch8.輻射換熱課件

1、 輻射換熱的基本概念 輻射換熱的基本定律固體表面間的輻射換熱氣體輻射主要內(nèi)容第8章 輻射換熱*1第8章 輻射換熱輻射換熱是指物體之間通過相互輻射和吸收進行的熱量傳輸過程。熱輻射：物體由于自身溫度引起的發(fā)射輻射能的現(xiàn)象,依靠熱射線（電磁波）傳遞熱量。1、熱輻射紫外線 0.1- 0.38可見光 0.38-0.76紅外線 0.76-100熱射線：理論上為0范圍，波長在0.1100m之間。工程上的熱輻射集中在0.7640微米的紅外線部分紅外線輻射。8.1 輻射換熱基本概念*2第8章 輻射換熱8.1 熱輻射的基本概念*3第8章 輻射換熱不需要冷熱物體的直接接觸，也不需要中間介質(zhì)伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)換，即輻

2、射時由內(nèi)能轉(zhuǎn)換為輻射能，吸收時由輻射能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能。一切溫度高于0K的物體都在不斷地向外發(fā)射輻射能，也在吸收周圍物體發(fā)射到它表面上的輻射能。特 點熱輻射：高溫物體的熱能以電磁波的形式傳遞給低溫物體。8.1 熱輻射的基本概念*4第8章 輻射換熱2、輻射能的吸收、反射和投射吸收熱能 低溫物體熱能高溫物體輻射能流（熱射線）GGRGDGA穿透 與中間介質(zhì)無關(guān)而由電磁波傳輸反射 8.1 熱輻射的基本概念*5第8章 輻射換熱物體能將外界投射來的輻射能全部吸收黑體能量守恒原理吸收率反射率透射率物體能將外界投射來的輻射能全部反射入射角等于反射角鏡體；漫反射白體外界投射到物體上的輻射能全部透過物體透明體8.1 熱

3、輻射的基本概念*6第8章 輻射換熱固體、液體：對輻射能的吸收只在物體表面薄層內(nèi)進行，可認為其透射率：d=0表面輻射氣體：對熱輻射幾乎不能反射，即：r=0對稱的雙原子氣體、純凈空氣，可認為其基本不吸收輻射能，即a0體積輻射8.1 熱輻射的基本概念*7第8章 輻射換熱物體向外發(fā)射的輻射能包括不同波長和不同空間方向的能量3、輻射力、輻射強度輻射力：單位時間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的全部波長 的輻射能量。單色輻射力：單位時間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的某一特定波長的輻射能量,描述輻射能按波長分布。8.1 熱輻射的基本概念符號：E 單位：W/m2符號： 單位：W/m2.m*8第8章 輻

4、射換熱方向輻射力：單位時間內(nèi)，物體的單位表面積向某一方向單位立體角內(nèi)發(fā)射的全部波長的輻射能量。輻射強度：單位時間內(nèi)，與某一輻射方向垂直的單位輻射面積在單位立體角發(fā)射的全部波長的輻射能量。8.1 熱輻射的基本概念*9第8章 輻射換熱立體角：是一個空間角度，單位為Sr 。d整個半球的面積為2r2 ，為2個球面度立體角 = F / r2，Sr 為球面度8.1 熱輻射的基本概念*10第8章 輻射換熱與方向輻射力關(guān)系 E=I Cos 在法線上 En = In 8.1 熱輻射的基本概念*11第8章 輻射換熱黑體模型隨溫度升高，黑體的單色輻射力和輻射力 都在迅速增大；在波長為0、無窮大處， 每一分布曲線都有

5、一峰值；隨著溫度升高，黑體的最大單色輻射力向短波長方向移動。 8.2 熱輻射的基本定律1、普朗克定律*12第8章 輻射換熱維恩定律8.2 熱輻射的基本定律2、維恩定律*13第8章 輻射換熱8.2 熱輻射的基本定律*第8章 輻射換熱14可據(jù)鋼坯的顏色來判斷其溫度，鋼坯在加熱過程中當： 無變化：低于500、 暗紅：600左右、 鮮紅：800-850左右、 桔黃：1000左右 白熾：1300左右3、斯蒂芬玻爾茲曼定律斯蒂芬常數(shù)8.2 熱輻射的基本定律*15第8章 輻射換熱4、朗伯定律余弦定律沿法線方向（1=0) 的輻射力最大沿水平方向（1=90）時輻射力等于零8.2 熱輻射的基本定律*16第8章 輻

6、射換熱單色黑度黑度（發(fā)射率） 輻射光譜連續(xù)，與黑體相似 灰體 C灰體輻射系數(shù)，W/(m2K4) 5、基爾霍夫定律8.2 熱輻射的基本定律*17第8章 輻射換熱黑度（發(fā)射率）的影響因素 材料的物理性質(zhì) 表面粗糙度 明顯影響的是光學粗糙度/，成正比 溫度 金屬 - 5m, T 非金屬- T，。非金屬的黑度大于金屬的黑度。 0.78 表面氧化層 波長 金屬： ， 非金屬： ， 8.2 熱輻射的基本定律*18第8章 輻射換熱吸收率a表示物體相對于黑體的吸收能力黑度表示物體相對于黑體的輻射能力熱平衡8.2 熱輻射的基本定律*19第8章 輻射換熱3） ，不能吸收的，也不能輻射；不能輻射的，也不能吸收。 2

7、） ，吸收能力強，輻射能力強； 1）黑體 ， 吸收能力最大，輻射能力最大； 分析： 8.2 熱輻射的基本定律基爾霍夫定律*20第8章 輻射換熱6、氣體的吸收定律g = Ag=1 e ks式中： g：氣體的單色發(fā)射率 Ag：氣體的單色吸收率 k ：單色減弱系數(shù)，單位距離內(nèi)，輻射強度減弱的百分數(shù)。當S時， g = Ag =1，即黑體。8.2 熱輻射的基本定律*21第8章 輻射換熱1角系數(shù)任意兩表面所組成的體系，其中一個表面所發(fā)射的輻射能投射到另一表面上的能量占發(fā)射總能量的百分數(shù)，稱為第一表面對第二表面的輻射角系數(shù)，記為 。同理，第二表面對第一表面的輻射角系數(shù)為8.3 固體表面間的輻射換熱（1）角系

8、數(shù)的概念 *22第8章 輻射換熱8.3 固體表面間的輻射換熱*23第8章 輻射換熱（2）角系數(shù)的性質(zhì) 1）純幾何參數(shù)2）互變關(guān)系（相對性）3）自變關(guān)系（完整性）132n8.3 固體表面間的輻射換熱*24第8章 輻射換熱12不可自見面（平面、凸面） 1 可自見面（凹面） 4）自見性8.3 固體表面間的輻射換熱*25第8章 輻射換熱5）兼顧性132透熱體 6) 可分性（分解性）8.3 固體表面間的輻射換熱*26第8章 輻射換熱A1A2A31）兩不可自見面 自見性完整性 （3）角系數(shù)的確定 積分法 利用角系數(shù)的積分公式進行積分運算。代數(shù)分析法 利用角系數(shù)的性質(zhì)，用代數(shù)的方法確定。8.3 固體表面間的

9、輻射換熱*27第8章 輻射換熱2）一可自見面與一不自見面 自見性完整性 相對性完整性 8.3 固體表面間的輻射換熱*28第8章 輻射換熱3）兩可自見面 兼顧性 f透熱體8.3 固體表面間的輻射換熱*29第8章 輻射換熱2兩灰體表面間的輻射換熱網(wǎng)絡(luò)元法自身輻射 投射輻射 吸收輻射 反射輻射 有效輻射 差額熱量 8.3 固體表面間的輻射換熱(1) 概念 *30第8章 輻射換熱1- / ( A)（2）基本網(wǎng)絡(luò)單元表面網(wǎng)絡(luò)單元物體失去或得到的能量：Q1EbJ表面熱阻(如果是單位面積的熱阻叫單位熱阻)僅與表面的性質(zhì)有關(guān)，當表面為黑體時，則表面熱阻為零，說明物體不是黑體，相當于有一個熱阻。 表面熱阻8.3

10、 固體表面間的輻射換熱*31第8章 輻射換熱8.3 固體表面間的輻射換熱離開A1、A2的總輻射能為J1A1、J2A2中投落在A2、A1上的部分分別為,則兩表面間的輻射換熱量：空間熱阻Q12Eb1Eb21/ A1 12*32第8章 輻射換熱8.3 固體表面間的輻射換熱（3）兩灰體表面間的輻射換熱表面1的“表面輻射過程”+兩表面的空間“傳遞輻射過程”+表面2的“表面輻射過程”兩灰體表面間的輻射換熱C綜合輻射系數(shù)，W/(m2K4)*33第8章 輻射換熱8.3 固體表面間的輻射換熱A1表面熱阻A2表面熱阻表面A1、A2間空間熱阻Eb1Eb2J1J2Q1Q12Q2*34第8章 輻射換熱1）兩無限大平行平

11、面間的輻射換熱 WW/m2黑體 W/m2灰體 特例8.3 固體表面間的輻射換熱*35第8章 輻射換熱2）一凹面對一平面或凸面 W 如果A1置于自由空間， W 8.3 固體表面間的輻射換熱*36第8章 輻射換熱3）兩凹面 8.3 固體表面間的輻射換熱*37第8章 輻射換熱3）隔熱板加n層隔熱板：8.3 固體表面間的輻射換熱*38第8章 輻射換熱小孔輻射W 小孔面積 ？工程中常利用低黑度的金屬薄板作遮熱板，削弱輻射換熱；用遮熱罩抽氣式熱電偶提高溫度測量的精度。8.3 固體表面間的輻射換熱*39第8章 輻射換熱8.3 固體表面間的輻射換熱*第8章 輻射換熱40例題8-1、兩塊平行放置的大鋼板，其間距

12、遠小于長和寬。已知鋼板的溫度分別為727、27，黑度均為0.8。若視鋼板為灰體，試計算其自身輻射、有效輻射及凈傳熱量。 解：(3)三個灰體表面間的輻射換熱A1A2A3熱輻射網(wǎng)絡(luò)圖為Eb1Eb2Eb3J1J2J3Q1Q2Q12Q13Q23Q38.3 固體表面間的輻射換熱*41第8章 輻射換熱Kirchhoff定律:穩(wěn)定態(tài)傳熱時，匯入節(jié)點的熱量之和為零。節(jié)點1：節(jié)點2：節(jié)點3：8.3 固體表面間的輻射換熱J1J2J3*42第8章 輻射換熱8.3 固體表面間的輻射換熱Eb1Eb2Eb3J1J2J3Q1Q2Q31）黑體或大表面（A3表面熱阻=0，J3=E3, Q30） 利用節(jié)點方程求解有效輻射J1、J

13、2。 特例 *43第8章 輻射換熱8.3 固體表面間的輻射換熱Eb1Eb2Eb3J1J2J3Q1Q22）重輻射面(J3=E3 =G3,Q3=0） 也稱輻射絕熱面，如爐壁表面（認為吸收熱量和輻射熱量相等、凈輻射熱流量等于零）。直接利用等效網(wǎng)絡(luò)熱流圖求解有關(guān)輻射熱量。*44第8章 輻射換熱8.3 固體表面間的輻射換熱(4)四個灰體表面間的輻射換熱*45第8章 輻射換熱Eb1Eb3Eb4Eb2J1J2J3J48.3 固體表面間的輻射換熱*第8章 輻射換熱46(5)五個灰體表面間的輻射換熱？8.3 固體表面間的輻射換熱*第8章 輻射換熱478.3 固體表面間的輻射換熱*第8章 輻射換熱48例題8-2、

14、計算直徑d=1m的熱風管在下述條件下每米長度上表面輻射熱損失，設(shè)熱風管為裸露鋼表面黑度0.8，外表面溫度為227。 若此管置于露天周圍環(huán)境溫度27； 若將此管置于斷面為1.81.8的磚砌溝槽內(nèi)，且設(shè)磚槽內(nèi)表面溫度同樣為27，黑度0.9。解： 可視為熱風管表面A1被無限大空間表面所包圍，則 8.3 固體表面間的輻射換熱*第8章 輻射換熱49 可視為非自見表面熱風管A1被可自見表面溝槽A2所包圍，則 8.3 固體表面間的輻射換熱*第8章 輻射換熱50例題8-3、一爐頂隔焰加熱熔鋅爐，碳化硅爐頂溫度900，黑度0.85；熔池鋅液溫度600，黑度0.2；爐頂與熔池表面積面積均為13.8m，爐膛高0.5

15、m。若把爐壁內(nèi)表面視為絕熱面差(額熱量為零)，求爐頂與熔池間的熱輻射、爐膛內(nèi)表面的溫度及金屬獲得的輻射熱量。 解：令爐頂表面為1，金屬表面為2，爐膛內(nèi)表面為3，畫輻射網(wǎng)絡(luò)圖： Eb1Eb2Eb3J1J2J3Q1Q28.3 固體表面間的輻射換熱*第8章 輻射換熱51如何求Q2，T38.3 固體表面間的輻射換熱*第8章 輻射換熱52例題8-4、一Mulff爐的內(nèi)表面積1m2中,溫度900，黑度0.8；爐底架子上有兩塊鋼坯互相緊靠著正在加熱，鋼坯斷面尺寸為5050mm，長度1m，金屬的黑度為0.8。求金屬溫度為500 時爐壁對金屬的輻射熱量。 解：令金屬表面為1，A1=230.051=0.3m2，爐

16、膛內(nèi)表面表面為2，可作兩表面輻射處理。8.3 固體表面間的輻射換熱*第8章 輻射換熱53例題8-5、一Mulff爐的內(nèi)表面積1m2中,溫度900，黑度0.8；爐底架子上有兩塊鋼坯正在加熱，鋼坯斷面尺寸為5050mm，長度1m，兩塊鋼坯相距50mm,金屬的黑度為0.8。求金屬溫度為500 時爐壁對金屬的輻射熱量。 解：令金屬表面表面為1， A1=240.051=0.4m2；爐膛內(nèi)表面為2，可作兩表面輻射處理；23.8kW 8.3 固體表面間的輻射換熱*第8章 輻射換熱54例題8-6、一室溫為27的大房間內(nèi)放置兩塊平行的相距1m的平板，兩平板溫度分別為827、327，黑度為0.2、0.5，尺寸為1

17、2m。求平板的凈輻射熱量Q1、Q2及房間墻壁得到的輻射熱量Q3。 解：令平板表面分別為1、2，房間表面為3，可作三表面輻射處理（大表面）。 8.3 固體表面間的輻射換熱*第8章 輻射換熱55節(jié)點方程：聯(lián)立解得J1=18.33kW/m2； J2=6.437kW/m2 ；J3=0.459kW/m28.3 固體表面間的輻射換熱*第8章 輻射換熱568.3 固體表面間的輻射換熱*第8章 輻射換熱57思考題、一室溫為27的大房間（墻壁為絕熱面）內(nèi)放置兩塊平行的相距1m的平板，兩平板溫度分別為827、327，黑度為0.2、0.5，尺寸為12m。求平板間的輻射換熱量。 解：提示 ：令平板表面分別為1、2，房

18、間表面為3，可作三表面輻射處理（大表面、重輻射面）。 1氣體輻射的特點（1）與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)單原子氣體 He Ar 三原子氣體 CO2 H2O SO2 CH4 單元素雙原子氣體 N2 O2 H2 非單元素雙原子氣體 CO（2）沒有反射能力，有較強的透過能力 d=1 a=08.4 氣體輻射與吸收*58第8章 輻射換熱（3）選擇吸收及輻射選擇性測定氣體成分紅外氣體分析儀黑體、灰體、氣體輻射及吸收光譜的比較(a)輻射光譜；(b)吸收光譜1黑體；2灰體；3氣體8.4 氣體輻射與吸收*59第8章 輻射換熱8.4 氣體輻射與吸收水蒸氣和二氧化碳的輻射和吸收光帶光帶H2O CO2波長m12(m)波長m 12(m)第一光帶2.243.271.032.363.020.66第二光帶4.88.53.74.014.80.79第三光帶12251312.516.54.0*60第8章 輻射換熱（4）體積輻射煙氣STP P分壓 S與射線入射方向、容器形狀、大小有關(guān) 8.4 氣體輻射與吸收*61第8章 輻射換熱2氣體的吸收率與黑度平均射線行程S當量半球半徑 1）溫度T、壓力P、成分相同2）輻射能相等C系數(shù)，0.850.95，一般取0.90E實驗測定8.4 氣體輻射與吸收*62第8章 輻射換熱W/m2W/m2查圖 8.4 氣體輻射與吸收*63第8章 輻射換熱混合氣體（CO2H2O）的黑度： 圖12-48 圖