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 5.67 108 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=5.67W/(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:
Q12 E效1 A112 E效2 A221
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
Q12
1
1
A2 21
A112
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
A112
E效1 E效 2
1
A2 21
1
2
T1
T2
Q12 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 At w t R At w t
T At 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