1、第七章管式加熱爐,第1節(jié)熱輻射的基本概念,1.1 基本概念 1.2 黑體輻射的基本定律 1.3 實(shí)際物體的熱輻射 1.4 氣體的輻射與吸收,1.1 基本概念,1.1.1 熱輻射的特性 1.1.2 熱輻射的吸收、反射和透過 1.1.3 黑體的定義 1.1.4 物體的輻射能力、輻射強(qiáng)度,1.1.1 熱輻射的特性： 定義：用電磁波傳遞能量的過程 特點(diǎn)：在傳遞過程中不需要任何介質(zhì)； 熱輻射過程中不僅有熱量的轉(zhuǎn)移過程，而 且還有能量形式的轉(zhuǎn)換； 任何物質(zhì)，只要TK，均可輻射熱量；,微粒性：發(fā)射和吸收時(shí)光子光子能量E,波動(dòng)性：傳播時(shí)電磁波波長(zhǎng)或頻率,特性：,E = h =C/,電磁輻射波譜：,輻射線名稱

2、宇宙射線 伽馬射線 倫琴射線 紫外線 可見光 紅外線 無線電波,波長(zhǎng)/m 110-7 110-110-5 110-5210-2 210-20.38 0.380.76 0.761103 110321010,熱射線,注：固體液體的光譜連續(xù)；氣體光譜不連續(xù),1.1.2 熱輻射的吸收、反射和透過：,Q= Q+ Q+ Q 或 Q/Q + Q/Q + Q/Q=1 吸收率、反射率和透過率： 定義：= Q/Q 吸收率 = Q/Q 反射率 = Q/Q 透過率,說明：,a. 凡是善于反射的物體就一定不能很好的吸收熱輻射；,b.、= f（物體性質(zhì)、T、輻射波長(zhǎng)）； 對(duì)熱射線的反射和吸收有重大影響的，不是表面的顏色，

3、而是表面的狀況；,c.定義：鏡反射；漫反射,d.=1，=0：全反射體，又稱絕對(duì)白體或鏡體如理想的金屬鏡面； =1，=0：透明體，如空氣； =1，=0：黑體,1.1.3 黑體的定義：,黑表面：能全部吸收投射到它表面上的熱輻射的表面,黑體：具有黑表面的物體，稱為絕對(duì)黑體，或簡(jiǎn)稱 黑體，用下標(biāo)“0”表示,說明：自然界中并不存在真正的絕對(duì)黑體； 黑體模型：,1.1.4 物體的輻射能力、輻射強(qiáng)度：,物體的輻射能力E： 定義：物體單位表面積、單位時(shí)間向半球空間所有方向發(fā)射的全部波長(zhǎng)（=0）的總輻射能，又稱半球輻射能力、自身輻射,W/m2,說明：E與表面的性質(zhì)、溫度有關(guān)：TE； 相同的溫度下，黑體的輻射能力

4、最大。,1.1.4 物體的輻射能力、輻射強(qiáng)度：,單色輻射能力E： 定義：物體在至+的波段內(nèi)的輻射能力,W/(m2m)或W/m3,說明：E反映了物體的輻射能力隨（0-）的分布情況：,EE， Ef（波長(zhǎng)，T）,1.1.4 物體的輻射能力、輻射強(qiáng)度：,立體角和輻射強(qiáng)度： 立體角：以物體表面上的一點(diǎn)對(duì)輻射面所張開的角度 輻射強(qiáng)度：物體單位表面積、單位時(shí)間內(nèi)向空間單位立體角所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻射能,W/(m2sr),說明：d物體向給定方向發(fā)射能量所占據(jù)的立體角，sr（球面度）；,E與I的關(guān)系為：,1.2 黑體輻射的基本定律,1.2.1 普朗克（Planck）定律 黑體輻射能力按波長(zhǎng)的分布規(guī)律 1.2.2

5、 斯蒂芬-波爾茲曼（Stefan-Boltzman） 定律黑體輻射能力與溫度的關(guān)系 1.2.3 蘭貝特（Lambert）定律余弦定率,1.2.1 普朗克（Planck）定律：,黑體的單色輻射能力與波長(zhǎng)及溫度的定量關(guān)系：,式中：黑體輻射的波長(zhǎng)，m； T黑體的絕對(duì)溫度，K； C1、C2普朗克常數(shù)，C1=3.74310-16Wm2； C2=1.438710-2mK； E0黑體的單色輻射能力，W/m2。,討論： 黑體的E0與表面形狀無關(guān)，E0=f(,T)； 如圖：當(dāng)0或時(shí)，Eo0；同一波長(zhǎng)下，TE0；,討論： 在全部波長(zhǎng)范圍內(nèi)單色輻射能力有且只有一個(gè)最大值：,微分，令：,維恩（Wien）位移定律,故：

6、黑體單色輻射能力的最大值隨著其溫度的升高向波長(zhǎng)較短的一邊移動(dòng)。,可憑借火焰的顏色來判斷火焰的溫度：,溫度1400，可見光范圍； 太陽(yáng)表面：T6000K，可見光范圍； 工業(yè)溫度（約2000）：集中在=0.810m的紅外線波段內(nèi)。,1.2.2 斯蒂芬波爾茲曼 （Stefan-Boltzman）定律：,黑體的全波長(zhǎng)輻射能力 ：,積分后：,式中：0黑體輻射常數(shù)， 0=5.6710-8W/(m2K4) C0=5.67,故：E0T，高溫時(shí)不能忽略輻射傳熱。,1.2.3 蘭貝特定律余弦定律：,說明了黑體表面向它上面的半球空間不同方向 上的輻射能量與法線方向上的輻射能量的關(guān)系,內(nèi)容：,I0n黑體的微元面積dA

7、在法線方向上 的輻射強(qiáng)度，W/(m2sr)； 給定方向與法線方向的夾角，sr,說明： 蘭貝特定律又稱余弦定律；,當(dāng)=0時(shí)，I=0=I0n，輻射強(qiáng)度最大； 當(dāng)=90時(shí)，I=90=0；,I0和E0的關(guān)系：,上式說明：E0為Ion的倍；,遵循蘭貝特定律的表面稱為蘭貝特表面，黑體表 面就是一個(gè)蘭貝特表面；,以上三個(gè)定律只適用于黑體。,1.3 實(shí)際物體的熱輻射,1.3.1 實(shí)際物體與黑體的區(qū)別與聯(lián)系 1.3.2 克希霍夫（Kirchhoff）定律 1.3.3 灰體,1.3.1 實(shí)際物體與黑體的區(qū)別與聯(lián)系,實(shí)際物體的輻射能力不服從斯蒂芬波爾茲曼定律 自然界一切物體的輻射能力均小于同溫度下黑體的輻射能力；

8、引入相對(duì)輻射能力：=E/ E0，又稱黑度，發(fā)射率 影響因素：它與物體溫度和表面性質(zhì)（表面溫度、表面狀況等）有關(guān)； 恒小于1。,1.3.1 實(shí)際物體與黑體的區(qū)別與聯(lián)系,實(shí)際物體的單色輻射能力隨溫度和波長(zhǎng)的變化不符合普朗克定律 引入物體的單色黑度 ：=E/ E0， 又稱單色發(fā)射能力 影響因素：f（T,，物體表面性質(zhì)）； 恒小于1，黑體單色輻射能力最大。,1.3.1 實(shí)際物體與黑體的區(qū)別與聯(lián)系,實(shí)際物體對(duì)投入輻射能的吸收率1 單色吸收率： 在給定波長(zhǎng)和入射角和下，一個(gè)實(shí)際表面吸收的能量與一個(gè)黑表面吸收的能量之比值。 說明：、(0，1)； 實(shí)驗(yàn)表明，、均為物體本身性質(zhì)；不是物體本身的性質(zhì)，f（表面性質(zhì)

9、、溫度、投入輻射的波長(zhǎng)及角度）。,1.3.2 克?；舴颍↘irchhoff）定律,內(nèi)容：假設(shè)一個(gè)溫度為T1的物體，在一個(gè)溫度為T2的黑體包殼內(nèi)，則無論T1和T2是否相等，該物體表面的單色黑度等于它的單色吸收率 ，即：=,證明：由該物體發(fā)射的輻射為： 被該物體吸收的輻射為： 假定該物體和包殼處于熱平衡狀態(tài)，則：qe=q 或 由T1=T2，則E0,1= E0,2，帶入上式有：=,1.3.2 克?；舴颍↘irchhoff）定律,說明：對(duì)于許多物質(zhì)，人們發(fā)現(xiàn)（或）與投射輻射的情況無關(guān)，即與投射溫度T2無關(guān)。 故：無論T1和T2是否相等，均有=；,由、， 則：,熱平衡時(shí)：T1=T2，故=；,對(duì)于灰體：=

10、,什么是灰體？,1.3.3 灰體,灰體定義：假如某種物體的單色輻射能力E與同一溫度下絕對(duì)黑體的單色輻射能力E0之比等于常數(shù)，即在所有波長(zhǎng)下，物體的單色黑度等于常數(shù)，這種物體叫做灰體,灰體也是一種理想物體,1.3.3 灰體,討論：,灰體是一個(gè)物理模型，符合灰體模型的表面叫做灰表面，灰表面符合蘭貝特（Lambert）定律；,由其定義及克?；舴蚨?，對(duì)灰表面，有：=常數(shù) 推導(dǎo)：,1.3.3 灰體,一般工業(yè)溫度范圍(T2000)內(nèi)，一般固、液態(tài)物體均可認(rèn)為是灰體（氣體除外），于是：,灰體的-E曲線與黑體的-E曲線相似，二者在同一溫度下的最大單色輻射能力都位于同一m處；,黑體是灰體的特例 ：= 1,討論

11、：,1.4 氣體的輻射與吸收,1.4.1 氣體輻射與吸收的特點(diǎn) 1.4.2 煙氣的黑度 1.4.3 煙氣的吸收率,1.4.1 氣體輻射與吸收的特點(diǎn):,不同氣體具有不同的輻射能力,單原子和分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱的雙原子氣體，如惰性氣體和氫、氮、氧等，不具有吸收熱輻射的能力，可看作透明體。 而三原子，多原子氣體以及結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的雙原子分子，如CO2、H2O、SO2、CO、CH2 ，烴類和醇類等，則有相當(dāng)大的輻射能力和吸收能力。,1.4.1 氣體輻射與吸收的特點(diǎn):,氣體輻射對(duì)波長(zhǎng)有選擇性,氣體只在某些特定的波段光帶內(nèi)具有吸收能力。煙氣中的CO2和H2O主要光帶如下：,這些光帶均位于可見光范圍之外，所以，即使在高

12、溫下CO2和H2O也不能被人眼看見。,1.4.1 氣體輻射與吸收的特點(diǎn):,氣體的輻射和吸收是在整個(gè)容積中進(jìn)行的,氣體的輻射和吸收與氣體的形狀和體積有關(guān)。 氣體的輻射和吸收取決于氣層厚度、氣體的溫度和分壓。,定義平均輻射長(zhǎng)度L=3.5V/A ，又稱有效氣層厚度,這樣：,1.4.1 氣體輻射與吸收的特點(diǎn):,氣體是典型的非灰體物質(zhì),只有當(dāng)氣體溫度和固體壁溫度相同時(shí)氣體的黑度和吸收率才會(huì)相等，若溫度不相等，就不存在這種關(guān)系。同樣普朗克定律定律和斯蒂芬波爾茲曼定律也不能成立。,1.4.2 煙氣的黑度：,CO2和H2O的黑度： ECO2 T3.5，EH2O T3 引入氣體的黑度i： 0CO2= f（PCO2，L，Tg） CO2=CCO2 0CO2 ，P338：Fig7-8,9 0H2O= f（PH2O，L，Tg，P總） H2O=CH2O 0H2O ， P339：Fig7-10,11,1.4.2 煙氣的黑度：,煙氣的黑度g： g=（CO2 +H2O）（1-） -煙氣中光譜重疊的校正量， 2-5%； 煙氣中如存在S