Transcript 11 传热

6.5 热辐射
辐射传热基本概念
基本概念
1
辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。
2 热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能量
的过程。
特点
◇能量传递的同时还伴随着能量形式的转换。
◇不需要任何物质作媒介。
◇只要绝对温度不为零度，就能向外界辐射能量。
辐射传热基本概念
基本概念
3 热辐射对物体的作用
总能量Q ：被物体吸收Qa；被物体反射Qr；穿透物体Qd
Q
按能量守恒定律： Q  Qa  Qr  Qd
Qr
Qa
式中
——吸收率，用a表示；
Q
Q
Qr ——反射率，用r表示；
Q
Qd
——穿透率，用d表示。a  r  d
Q
a
1
Qd
辐射传热基本概念
a, r, d  f (物体性质，温度，表面，辐射波长等)
固体和液体：d  0， a  r  1
气体无反射：r  0,
a  d 1
黑体：能全部吸收辐射能的物体。即
a 1
白体：能全部反射辐射能的物体。即
r 1
透热体：能透过全部辐射能的物体。即 d  1
灰体：以相同的吸收率吸收所有波长的热辐射能的物体，
如工业用的大多数固体材料。
物体的辐射能力
辐射能力：物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所
2。
发射的全部辐射能（波长从0到），以
E
表示，单位W/m

1. 黑体的辐射能力 E b   E b d
0
根据普朗克量子理论， E b
C 1  5
 C 2 T
e
1
 T 
4
 E b   0T  C 0 

 100
4
斯蒂芬-波尔兹曼定律
（四次方定律）
式中：  0  5.67 108 W (m2  K 4 ) -----------黑体辐射常数，
C0  5.67W (m2  K 4 ) ；
T-----K
斯蒂芬-波尔兹曼定律表明辐射传热对温度异常敏感
物体的辐射能力
2. 实际物体的辐射能力
物体的黑度
E

Eb
<1
的影响因素：物体的种类、表面温度、表面状况（如粗
糙度、表面氧化程度等）、波长。
3．灰体的辐射能力E
4
 T 
 T 
E   Eb   C0 

C



 100 
 100 
4
式中 C——灰体的辐射系数，C=5.67W/(m2·K4)
与α的关系----克西荷夫定律
灰体辐射能力E  吸收率的关系
灰体
黑体
T
T
灰体发射辐射能全部被黑体吸收。
黑体发射辐射能：部分被灰体吸收，
E
部分被灰体反射
Eb  E  (1  a) Eb
a
E
Eb
Eb
a Eb (1  a) Eb
 a
热平衡时，对灰体而言：吸收辐射能  发射辐射能
即：E  aEb
与α的关系----克西荷夫定律
Eb  E  (1  a) Eb
Eb 
E
a
 a
说明：对任何物体，辐射能力和吸收率比值为常
数，且等于同温度下，黑体的辐射能力。
说明：同温度下，任一物体吸收率等于黑度。
灰体
黑体
T
T
E
Eb
a Eb (1  a) E
b
两固体间的相互辐射
化工生产中常遇到的固体壁面可按灰体处理；辐射在固
体表面进行。
1、黑体间的角系数
j
辐射能被拦截的百分数，用12、 21表示
影响角系数的因素(纯几何因素，与表面性质无关）
两物体间的距离、两物体表面积、两物
体的放置角度等。
cos i cos j
1
 ij 
dA j dAi


2
Ai Ai A j
r
1
 ji 
Aj

A j Ai
cos j cos i
r
2
θj
r
θi
i
dAi dA j
两固体间的相互辐射
角系数的性质：
1、相对性：
Ai  ij  A j  ji
4
2、完整性：
如图，由N个面组成的闭合体，任一面的
所有角系数之和为多少？
3、加和性：
k 1
N
  ik  1
k 1
N

5
ik
 12   13   14
?
1
2
2
3
4
1
3
两固体间的相互辐射
思考：如图，两相距很近的无限大平板，
角系数为多少？
 12   21  1
两固体间的相互辐射
固体间的辐射传热不同情况下的角系数
序
号
辐射情况
面积A
角系数
1
极大的两平行面
A1或
A2
1
2
面积有限的两相等平行面
A1或
A2
<1
3
很大的物体2包住物体1
A1
1
4
物体2恰好包住物体1
A2≈A1
A1
1
5
在3、4两种情况之间
A1
1

两灰体间的辐射传热
设壁面I的温度为T1,从壁面I
本身发出的辐射能为E1，壁面
II投射到壁面I上的总辐射能
为E2’,其中被壁面I反射的辐
射能为E2’(1-α1)。这里α1,α2
为两壁面的吸收率。
无穷反复，复杂
热量衡算，简单化
有效辐射
两灰体壁面之间的相互辐射
有效辐射：
E效  E  (1  a)E入
物体与环境交换的热量
Q
 E  aE入
A
Q
 E效  E 入
A
E入
--投入辐射,W/m2
(1-a)E 入
E效
E
有效辐射， W/m2
两灰体间的辐射传热
两灰体间净辐射：
Q12  E效1 A112 E效2 A221
E 入 --投入辐射,W/m2
A1 12  A2 21
(1-a)E 入
E效
E
E效1  E效 2
E效1  E效 2

Q12 
1
1
A2 21
A112
有效辐射， W/m2
2
Q1-2
1
两灰体间的辐射传热
对两灰体组成的封闭体系：
Q1 2
又
E效1  E效 2

1
A112
E效1  E效 2

1
A2 21
1
2
T1
T2
Q12  Q1环境  E效1  E入1 A1
 Q2环境  E效2  E入2 A2
E效1  E1  (1  a1 ) E入1
1
Q1
 Eb1  (  1)
1
A1
E 入 ----投入辐
E效 2  E2  (1  a2 ) E入2
1
Q2
 Eb 2  (  1)
2
A2
(1-a)E 入
E
E效
有效辐射， W
E效  E  (1  a)
两灰体间的辐射传热
利用加和定理整理以上各式，得：
Q1 2 
1
A1 1 2
空间热阻
E b1  E b 2
推动力

1   1 1   2 辐射热阻


 1 A1
 2 A2
表面热阻
1
2
T1
T2
两灰体间的辐射传热
特例1：对两足够大平行板：1-2=1，A1=A2。故
Q1 2 
E b1  E b 2 A1
1
1

1
2
1
当A2包A1、且A2>>A1时（如图所示）
特例2：
Q1 2   1 A1 E b1
A1
1-2=1，
0
A2
 T 
 T2  
1
 E b 2    1 A1 C 0 
  
 
 100 
 100  
4
Q1 2 
1
4
1
A1 1 2
T1
2
T2
E b1  E b 2
1  1 1   2


 1 A1
 2 A2
影响辐射传热的因素
1．温度：与T4 呈正比，T  , Q 
2．表面黑度：  , Q 
3．几何位置：1-2
4．介质：如插入热屏，增大热阻，减小 Q
Q1 2 
1
A1 1 2
E b1  E b 2
1  1 1   2


 1 A1
 2 A2
气体的热辐射
气体：单、对称双原子气体（H2、O2、空气）
—— 近似透热体，无吸收、发射能力
多原子气体(CO2、H2O蒸汽)
—— 高温时具有很强发射和吸收能力。
气体热辐射特点：
* 选择性 — 只发射和吸收某一波长范围的辐射能；
* 容积辐射特性 — 吸收和发射在整个体积内进行。
Tg
4
E


E


C
(
)
g
g 0
g 0
气体发射能力：
100
 g  f (Tg , P, l )
暴露在空气中的设备的热损失计算
对流和热辐射同时存在的场合，辐射热流量用牛顿冷却定律表示：
Q  对流传热量 辐射传热量
  c At w  t     R At w  t  
  T At w  t  
联合传热膜系数
其中：
辐射传热量  1 A1 E b1  E b 2 
 t  4  t  4 
  1 A1 C 0  w      
 100 
 100  
  R A1 t w  t  
小结
基本概念：
1. 黑体、灰体、黑度
2. 辐射能力
3. 黑体间角系数、灰体间的有效辐射
掌握：
1.斯蒂芬-波尔兹曼定律
2.灰体的克希荷夫定律
3.灰体间的辐射换热
 作业：6-13，6-15