1、1 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念 熱輻射機(jī)理(j l)的定性描述：物體受熱后其中(qzhng)某些原子or 分子“激發(fā)態(tài)”，從激發(fā)態(tài) 低能態(tài)能量就以電磁波輻射的形式發(fā)射出來。 熱射線(shxin)可見光線(波長(zhǎng)：0.40.8mT，熱效應(yīng)明顯) 紅外光線(波長(zhǎng)：0.820 m多數(shù)具有實(shí)際意義熱輻射波長(zhǎng)決定作用) 自發(fā)物體因熱的原因，對(duì)外以電磁波形式向外發(fā)出輻射能吸收熱能。 (1) (1) 熱輻射 (T，熱輻射) 第1頁/共30頁第一頁，共30頁。(2)(2)熱輻射對(duì)物體熱輻射對(duì)物體(wt)(wt)的作用的作用AA、R R、D D 被吸收(xshu)QA；被反射QR；穿透物體QD。 熱射線(s

2、hxin)的特點(diǎn)：在均質(zhì)介質(zhì)中直線傳播；在真空、多數(shù)氣體中完全透過；在工業(yè)上常見的多數(shù)固體or液體中不能透過。與可見光一樣，服從反射與折射定律。當(dāng)熱輻射的能量投射在某一物體上時(shí)，其總能量Q：第2頁/共30頁第二頁，共30頁。DRAQQQQ1QQQQQQDRA1DRAQQDQQRQQADRA/理想物體，作為實(shí)際物體一種比較標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)化輻射傳熱(chun r)計(jì)算。 黑體(hit)、鏡體、透過體、灰體第3頁/共30頁第三頁，共30頁。黑體(絕對(duì)黑體)：A=1，R=D=0輻射與吸收能力max， 在熱輻射的分析與計(jì)算中具有特殊重要性。鏡體(絕對(duì)白體(bit)：R=1，A=D=0； 能全部反射輻射能，且入射

3、角等于反射角(正常反射)。透過體(絕對(duì)透過體)：D=1，A=R=0；能透過全部輻射能的物體。 實(shí)際上：對(duì) 無光澤的黑體(hit)表面，A=0.960.98接近黑體(hit)；磨光的銅表面(biomin)，R=0.97近似鏡體；單原子or對(duì)稱雙原子氣體，D視為透過體。 第4頁/共30頁第四頁，共30頁。物體的性質(zhì)；表面(biomin)狀況；溫度；投射輻射線的波長(zhǎng)。物體(wt)的A、R、D其大小取決于：灰體能以相同吸收率吸收所有(suyu)波長(zhǎng)范圍輻射能的物體；A與輻射線波長(zhǎng)無關(guān)，即物體對(duì)投入輻射的吸收率與外界無關(guān)；不透過體，A+R=1 工業(yè)上常見固體材料(0.420 m)。特點(diǎn)：(3) 輻射傳熱

4、 物體之間相互輻射與吸收輻射能的傳熱過程。第5頁/共30頁第五頁，共30頁。物體在一定(ydng)溫度下，單位時(shí)間、單位表面積所發(fā)出全部波長(zhǎng)的總能量。 E（J/m2s，即W/m2） ddEEE0limdEE02 固體的輻射(fsh)能力表征固體表征固體(gt)發(fā)射輻射能的本領(lǐng)發(fā)射輻射能的本領(lǐng)單色輻射能力：在一定溫度下，物體發(fā)射某種波長(zhǎng)的能力，記作：E(W/m3)定義：(1) Planck law黑體的黑體的單色輻射能力單色輻射能力E Ebb隨波長(zhǎng)隨波長(zhǎng)、溫度、溫度T T的變化規(guī)律的變化規(guī)律第6頁/共30頁第六頁，共30頁。 對(duì)應(yīng)于每一溫度(wnd)T均為一條能量分布曲線；0,; 0, 0max

5、,bbbbbEEEEE),(1/512TfeCETCb式中： Eb黑體的單色輻射能力(nngl)，W/m2； T 黑體的絕對(duì)溫度，K； C1 常數(shù)，其值為3.74310-16，Wm2； C2 常數(shù)，其值為1.438710-2，mK。EbT3T2T1123TTT從圖中可見(kjin)：紫外災(zāi)難第7頁/共30頁第七頁，共30頁。 T ，Eb，max移向波長(zhǎng)(bchng)較短的方向 等溫線下的面積黑體(hit)的輻射能力Eb另外(ln wi)：32.910mT由于地表溫度和太陽表面溫度的差異，使得二者輻射波長(zhǎng)不同，又由于大氣層中的CO2吸收地球輻射波，導(dǎo)致溫室效應(yīng)。第8頁/共30頁第八頁，共30頁。

6、(2) Stefan-Boltzmann law(四次方定律四次方定律(dngl) )(105102TfdeCdEETCbb42042804040/67.5/1067.5100KmWCKmWTCTEb4TEb黑體的輻射(fsh)系數(shù)由四次方定律(dngl)：Eb對(duì)T敏感，T，熱輻射起主導(dǎo)作用。黑體黑體輻射能力輻射能力Eb與與T 間的關(guān)系間的關(guān)系第9頁/共30頁第九頁，共30頁。(3) 灰體的輻射(fsh)能力E 4100TCE40100TCEEb：是物體(wt)本身的特性物體的性質(zhì)；溫度；表面(biomin)狀況(表面(biomin)粗糙度、氧化程度)。由實(shí)驗(yàn)測(cè)定將Stefan-Boltama

7、nn law用于灰體：物體的黑度 為 同溫度下灰體與黑體的輻射能力之比，即=E/Eb C：灰體輻射系數(shù)；定義定義：第10頁/共30頁第十頁，共30頁?；殷w輻射能力(nngl)與吸收能力(nngl)間(EA)的關(guān)系任何灰體的輻射能力與吸收率之比恒等于同一(tngy)溫度下絕對(duì)黑體的輻射能力。TfEAEAEb2211數(shù)學(xué)(shxu)表達(dá)式：A(4) Kirchhoff law即：或：同一灰體吸收率與其黑度在數(shù)值上必相等。 AE第11頁/共30頁第十一頁，共30頁。兩無限大的平行平壁兩壁面間距離壁面尺寸；其中(qzhng)一壁面1灰體T1、E1、A1T2，兩壁面間為透熱體(D=1)，系統(tǒng)對(duì)外絕熱。對(duì)

8、壁面1，輻射傳熱(chun r)的結(jié)果即兩壁面輻射傳熱(chun r)的熱通量q為：EbE1A1EbbEAEq11當(dāng)兩壁面達(dá)到(d do)熱平衡時(shí)，T1=T2 q=0 E1=A1Eb E1/A1=Eb推廣到任意灰體，有：TfEAEAEb2211A1，EEb 且 A= Kirchhoff law推導(dǎo)過程：Kirchhoff law推導(dǎo)的假設(shè)條件：第12頁/共30頁第十二頁，共30頁。3 物體間的輻射(fsh)傳熱 討論兩灰體間的輻射(fsh)傳熱(1) 兩灰體間輻射兩灰體間輻射(fsh)傳熱過程的復(fù)雜性傳熱過程的復(fù)雜性(與灰體與灰體黑體間輻射黑體間輻射(fsh)傳熱對(duì)比傳熱對(duì)比)(2) 因灰體因

9、灰體AA1，則：0121CC 兩大平行(pngxng)板1110 .12102121CC若為有限(yuxin)面積A1平行面：02121210.1CC第18頁/共30頁第十八頁，共30頁。 物體(wt)2恰好包住物體(wt)1(A2A1)：1110.12102121CC4 影響輻射(fsh)傳熱的主要因素輻射傳熱量正比于溫度的四次方之差輻射傳熱量正比于溫度的四次方之差 同樣同樣T，在高溫時(shí)輻射傳，在高溫時(shí)輻射傳熱量熱量；如：如：T1=720K，T2=700K與與T1=120K，T2=100K兩者溫差相同兩者溫差相同(xin tn)，但在其它條件相同，但在其它條件相同(xin tn)時(shí)，熱流量相

10、差時(shí)，熱流量相差240多倍多倍 高溫傳熱時(shí)，熱輻射占主要地位；高溫傳熱時(shí)，熱輻射占主要地位；(1)溫度第19頁/共30頁第十九頁，共30頁。為削弱物體表面(biomin)間輻射傳熱，常在換熱表面(biomin)間插入薄板 遮熱板阻擋輻射傳熱。兩輻射表面的形狀與大小、方位(fngwi)與距離 一表面對(duì)另一表面的投射角；(2) 幾何(j h)位置(3) 表面黑度通過改變表面黑度的方法強(qiáng)化or削弱輻射傳熱。(4) 輻射表面間介質(zhì)的影響第20頁/共30頁第二十頁，共30頁。例：計(jì)算遮熱板的作用。 某車間內(nèi)有一高度為0.7m，寬1m的鑄鐵爐門(已氧化)，表面溫度450，室 溫為27。為減少(jinsho

11、)爐門的輻射散熱，在距爐門35mm處放置一塊與爐門大小 相同的鋁制遮熱板(已氧化)，試計(jì)算放置遮熱板前、后爐門因輻射而散失的 熱量。(鑄鐵1=0.75， 鋁3=0.15)解：放遮熱板前，爐門為四周(szhu)所包圍，則有：KTKTAACC300,723,0.1211012121WTTACQ7893100100424110121第21頁/共30頁第二十一頁，共30頁。放遮熱板后，因爐門與遮熱板間距離(jl)小兩者之間輻射傳熱視為兩無限大平壁間的相互輻射，則有：1/1/1,0.13103131CC設(shè)鋁板溫度(wnd)T3，則有：43411310311001001/1/1TTACQ遮熱板與四周(sz

12、hu)的散熱量Q3-2為：424330323100100TTACQ第22頁/共30頁第二十二頁，共30頁。穩(wěn)態(tài)傳熱(chun r)，Q1-3=Q3-2T3=609KQ1-3 =770W放置鋁板后爐門(l mn)的輻射熱損失減少的百分率為：%2.9078937707893213121QQQ設(shè)置遮熱板是減少輻射散熱有效方法(fngf)，且遮熱板，遮熱板數(shù)，熱損失。第23頁/共30頁第二十三頁，共30頁。例：熱電偶的測(cè)溫誤差。 裸露熱電偶測(cè)得管道內(nèi)高溫氣體T1=923K。 已知：管壁TW=440，熱電偶表面1=0.3，高溫氣體對(duì)熱電偶表面1=50W/m2， 試求：管內(nèi)(un ni)氣體真實(shí)溫度Tg及

13、熱電偶測(cè)溫誤差； 若采用單層遮熱罩(2=0.3)抽氣式熱電偶， 2=90W/m2(抽氣)， 試求：熱電偶的指示溫度T1。TWTgT2T1解： 裸露熱電偶穩(wěn)態(tài)傳熱： 熱電偶與管壁輻射(fsh)散熱=氣體對(duì)熱電偶表面對(duì)流傳熱KTTCTTTTCTTqCCAAWgWg10821001001001000 .1,04411011441011121012121絕對(duì)誤差159K；相對(duì)誤差14.7%第24頁/共30頁第二十四頁，共30頁。 氣體對(duì)遮熱罩表面對(duì)流傳熱速率(sl)=遮熱罩與管壁輻射散熱速率(sl) 氣體對(duì)熱電偶表面對(duì)流傳熱速率(sl)=遮熱罩與熱電偶輻射散熱速率(sl)KTTTCTTKTTTCTTg

14、Wg10451001001009100100214241011224420222絕對(duì)誤差(ju du w ch)37K；相對(duì)誤差3.4% 采用遮熱罩抽氣式熱電偶使測(cè)溫精度。 加遮熱罩，穩(wěn)態(tài)傳熱(chun r)條件下：第25頁/共30頁第二十五頁，共30頁。5 對(duì)流與輻射的聯(lián)合傳熱對(duì)流與輻射的聯(lián)合傳熱 管道、設(shè)備管道、設(shè)備(shbi)熱損失的計(jì)算熱損失的計(jì)算當(dāng)管道or設(shè)備外壁溫度TW T環(huán)境 Q損失= Q對(duì)流(duli) + Q輻射(1) 對(duì)流傳(lichun)熱熱損失QCTTAQWWCC(2) 輻射傳熱熱損失QRTTATTACQWWRWWR442121100100TTTTCWWR4421211

15、001000 . 1第26頁/共30頁第二十六頁，共30頁。(4) T的估算 (有保溫層設(shè)備(shbi)、管道外熱損失)1) 空氣u5m/suT2 . 42 . 62) 空氣u5m/s78. 08 . 7 uT 空氣沿粗糙壁面強(qiáng)制對(duì)流 空氣自然對(duì)流(TW150)1) 平壁保溫層外：TTWT07. 08 . 92) 管道或圓筒壁保溫層外：TTWT052. 04 . 9(3) 設(shè)備(shbi)總損失QTTAQQQWWRCRCTTAQWWTT：對(duì)流輻射聯(lián)合(linh)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)第27頁/共30頁第二十七頁，共30頁。例：在2198mm的蒸汽管道外包一層厚為75mm，導(dǎo)熱系數(shù)為 0.1W/mK的保溫材料，管內(nèi)飽和(boh)蒸汽溫度為160，周圍環(huán)境 溫度為20 ，試估算管道保溫層外表面的溫度及單位長(zhǎng)度管 道的熱損失。(假設(shè)管內(nèi)冷凝傳熱與管壁熱傳導(dǎo)熱阻不計(jì)) 解：依題意，單位管長(zhǎng)的熱損失可表示為：219. 0075. 0219. 0ln1 . 014. 321160ln210WWWtddtTLQttttttdLQWTWWWT052.04.9208914.10200625.020聯(lián)立求解得：tW=33 mWLQ/9 .152外徑 219b=75tWt環(huán)=20熱傳導(dǎo)對(duì)流輻射TW第28頁/共30頁第二十八頁，共30頁。本 節(jié) 小 結(jié)4