1、熱輻射,Heat Radiation,Keywords: Radiation heat transfer, Emissivity,Absorptivity, Reflectivity, Transmissivity, Pranck law, Stefan-Boltamann law, Kirchhoff law,作業(yè)：練習(xí)題4-12, 4-13,1 熱輻射的基本概念, 熱輻射機(jī)理的定性描述：,物體受熱后其中某些原子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,可見光線(波長：0.40.8mT，熱效應(yīng)明顯) 紅外光線(波長：0.820 m多數(shù)具有實際意義熱輻

2、射波長決定作用),自發(fā),物體因熱的原因，對外以電磁波形式向外發(fā)出輻射能吸收熱能。,(1) 熱輻射 (T，熱輻射),(2)熱輻射對物體的作用A、R、D,被吸收QA； 被反射QR； 穿透物體QD。, 熱射線的特點：,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，其總能量Q：,理想物體，作為實際物體一種比較標(biāo)準(zhǔn)簡化輻射傳熱計算。, 黑體、鏡體、透過體、灰體,黑體(絕對黑體)：A=1，R=D=0輻射與吸收能力max， 在熱輻射的分析與計算中具有特殊重要性。 鏡體(絕對白體)：R=1

3、，A=D=0； 能全部反射輻射能，且入射角等于反射角(正常反射)。 透過體(絕對透過體)：D=1，A=R=0；能透過全部輻射能的物體。,實際上：,對 無光澤的黑體表面，A=0.960.98接近黑體；,磨光的銅表面，R=0.97近似鏡體；,單原子or對稱雙原子氣體，D視為透過體。,物體的性質(zhì)； 表面狀況； 溫度； 投射輻射線的波長。,物體的A、R、D其大小取決于：,灰體能以相同吸收率吸收所有波長范圍輻射能的物體；,A與輻射線波長無關(guān)，即物體對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：,(3) 輻射傳熱,物體之間相互輻射與吸收輻射能的傳熱過程

4、。,物體在一定溫度下，單位時間、單位表面積所發(fā)出全部波長的總能量。 E（J/m2s，即W/m2）,2 固體的輻射能力,表征固體發(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)射某種波長的能力，記作：E(W/m3),定義：,Planck law 黑體的單色輻射能力Eb隨波長、溫度T的變化規(guī)律, 對應(yīng)于每一溫度T均為一條能量分布曲線；,式中： Eb黑體的單色輻射能力，W/m2； T 黑體的絕對溫度，K； C1 常數(shù)，其值為3.74310-16，Wm2； C2 常數(shù)，其值為1.438710-2，mK。,從圖中可見：,紫外災(zāi)難, T ，Eb，max移向波長較短的方向, 等溫線下的面積黑體的輻射能力

5、Eb,另外：,由于地表溫度和太陽表面溫度的差異，使得二者輻射波長不同，又由于大氣層中的CO2吸收地球輻射波，導(dǎo)致溫室效應(yīng)。,(2) Stefan-Boltzmann law(四次方定律),黑體的輻射系數(shù),由四次方定律：Eb對T敏感，T，熱輻射起主導(dǎo)作用。,黑體輻射能力Eb與T 間的關(guān)系,(3) 灰體的輻射能力E ,：是物體本身的特性,物體的性質(zhì)； 溫度； 表面狀況(表面粗糙度、氧化程度)。,由實驗測定,將Stefan-Boltamann 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：,灰體輻射能力與吸收能力間(EA)的關(guān)系,任何灰體

6、的輻射能力與吸收率之比恒等于同一溫度下絕對黑體的輻射能力。,數(shù)學(xué)表達(dá)式：,(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,兩無限大的平行平壁兩壁面間距離T2，兩壁面間為透熱體(D=1)，系統(tǒng)對外絕熱。,對壁面1，輻射傳熱的結(jié)果即兩壁面輻射傳熱的熱通量q為：,當(dāng)兩壁面達(dá)到熱平衡時，T1=T2 q=0 E1=A1Eb E1/A1=Eb 推廣到任意灰體，有：,A1，EEb 且 A= ,Kirchhoff law推導(dǎo)過程：,Kirchhoff law推導(dǎo)的假設(shè)條件：,3 物體間的輻射傳熱 討論兩灰體間的輻射傳熱,兩灰體間輻射傳熱過程的復(fù)雜性(與灰體黑體間輻

7、射傳熱對比) 因灰體A1在灰體間的輻射傳熱中，輻射能多次被吸收、被反射A、R； 由于物體的形狀及大小、相互間的位置與距離等因素影響引入角系數(shù)。 （ ：一物體表面輻射的總能量落到另一物體表面的分率）,(2) 兩無限大灰體平行平壁間輻射傳熱計算q1-2,兩大平壁從一壁面發(fā)出的輻射能可全部投射到別一壁面上， =1； 兩壁面間的介質(zhì)為透過體D=1(氣體)； 兩平壁均為不透過體A+R=1。,對壁面1，有效輻射Eef1(輻射及多次反射結(jié)果)為：,式中：無窮級數(shù),推導(dǎo)假設(shè)：,同理，壁面2的有效輻射Eef2為：,2020/8/27,17,可編輯,引入總輻射系數(shù)C1-2(物體1對2)：取決于壁面的性質(zhì)、兩壁面的

8、幾何尺寸；,兩大平行平壁：,(3) 兩平板面積均為A時的輻射傳熱速率Q1-2,(4) 任意兩灰體間的輻射傳熱速率Q1-2(引入角系數(shù)1-2),(5) 角系數(shù)(幾何因數(shù)),從一個物體表面所發(fā)出的輻射能被另一物體表面所截獲分?jǐn)?shù), 一物體被包圍室內(nèi)、加熱爐內(nèi)、同心圓球、同心圓筒等(A1), 兩大平行板,若為有限面積A1平行面：, 物體2恰好包住物體1(A2A1)：,4 影響輻射傳熱的主要因素,輻射傳熱量正比于溫度的四次方之差 同樣T，在高溫時輻射傳熱量； 如：T1=720K，T2=700K與T1=120K，T2=100K兩者溫差相同，但在其它條件相同時，熱流量相差240多倍 高溫傳熱時，熱輻射占主要

9、地位；,溫度,為削弱物體表面間輻射傳熱，常在換熱表面間插入薄板 遮熱板阻擋輻射傳熱。,兩輻射表面的形狀與大小、方位與距離 一表面對另一表面的投射角；,(2) 幾何位置,(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,例：計算遮熱板的作用。 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，爐門為四周所包圍，則有：,放遮熱板后

10、，因爐門與遮熱板間距離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：,設(shè)鋁板溫度T3，則有：,遮熱板與四周的散熱量Q3-2為：,穩(wěn)態(tài)傳熱，Q1-3=Q3-2,T3=609K,Q1-3 =770W,放置鋁板后爐門的輻射熱損失減少的百分率為：,設(shè)置遮熱板是減少輻射散熱有效方法，且遮熱板，遮熱板數(shù)，熱損失。,例：熱電偶的測溫誤差。 裸露熱電偶測得管道內(nèi)高溫氣體T1=923K。 已知：管壁TW=440，熱電偶表面1=0.3，高溫氣體對熱電偶表面1=50W/m2， 試求：管內(nèi)氣體真實溫度Tg及熱電偶測溫誤差； 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。,解： 裸露熱電偶穩(wěn)態(tài)傳熱： 熱電偶與管壁輻射散熱=氣體對熱電偶表面對流傳熱,氣體對遮熱罩表面對流傳熱速率=遮熱罩與管壁輻射散熱速率 氣體對熱電偶表面對流傳熱速率=遮熱罩與熱電偶輻射散熱速率,絕對誤差37K；相對誤差3.4% 采用遮熱罩抽氣式熱電偶使測溫精度。, 加遮熱罩，穩(wěn)態(tài)傳熱條件下：,5 對流與輻射的聯(lián)合傳熱 管道、設(shè)備熱損失的計算,當(dāng)管道or設(shè)備外壁溫度TW T環(huán)境 Q損失= Q對流 + Q輻射,(1) 對流傳熱熱損失QC,(2) 輻射傳熱熱損失QR,(4) T的估算 (有保溫層設(shè)備、管道外熱損