熱輻射原理及計算

1、熱輻射熱輻射Heat RadiationKeywords: Radiation heat transfer, Emissivity,Absorptivity, Reflectivity, Transmissivity, Pranck law, Stefan-Boltamann law, Kirchhoff law主要內容： 熱輻射的基本概念、基本定律；熱輻射的基本概念、基本定律； 輻射傳熱計算的基本方法。輻射傳熱計算的基本方法。作業(yè)：練習題作業(yè)：練習題4-12, 4-131 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念 熱輻射機理的定性描述：熱輻射機理的定性描述：物體受熱后物體受熱后其中某些原子其中某些原

2、子or 分子分子“激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)”，從，從激激發(fā)態(tài)發(fā)態(tài) 低能態(tài)低能態(tài)能量就以電磁波輻射的形式發(fā)射出來。能量就以電磁波輻射的形式發(fā)射出來。 熱射線熱射線可見光線可見光線(波長：波長：0.40.8mT，熱效應明顯，熱效應明顯) 紅外光線紅外光線(波長：波長：0.820 m多數具有實際意義多數具有實際意義熱輻射波長熱輻射波長決定作用決定作用) 自發(fā)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)出輻射能吸收吸收熱能。熱能。 (1) (1) 熱輻射熱輻射 (T，熱輻射，熱輻射) (2)(2)熱輻射對物體的熱輻射對物體的作用作用A、R、D 被吸收被吸收QA；被反射被

3、反射QR；穿透物體穿透物體QD。 熱射線的特點：熱射線的特點：在均質介質中在均質介質中直線傳播；直線傳播；在在真空真空、多數氣體中、多數氣體中完全透過；完全透過；在工業(yè)上常見的多數固體在工業(yè)上常見的多數固體or液體中液體中不能透過。不能透過。與可見光一樣，服從反射與折射定律。與可見光一樣，服從反射與折射定律。當熱輻射的能量投射在某一物體上時，其總能量當熱輻射的能量投射在某一物體上時，其總能量Q：DRAQQQQ1QQQQQQDRA1DRAQQDQQRQQADRA/理想物體，作為實際物體一種理想物體，作為實際物體一種比較標準比較標準簡化輻射傳熱計算。簡化輻射傳熱計算。 黑體、鏡體、透過體、灰體黑體

4、、鏡體、透過體、灰體黑體黑體(絕對黑體絕對黑體)：A=1，R=D=0輻射與吸收能力輻射與吸收能力max， 在熱輻射的分析與計算中具有特殊重要性。在熱輻射的分析與計算中具有特殊重要性。鏡體鏡體(絕對白體絕對白體)：R=1，A=D=0； 能全部反射輻射能，且入射角等于反射角能全部反射輻射能，且入射角等于反射角(正常反射正常反射)。透過體透過體(絕對透過體絕對透過體)：D=1，A=R=0；能透過全部輻射能的物體。；能透過全部輻射能的物體。 實際上：實際上：對對 無光澤的黑體表面，無光澤的黑體表面，A=0.960.98接近黑體；接近黑體；磨光的銅表面，磨光的銅表面，R=0.97近似鏡體；近似鏡體；單原

5、子單原子or對稱雙原子氣體，對稱雙原子氣體，D視為透過體。視為透過體。 物體的性質；物體的性質；表面狀況；表面狀況；溫度；溫度；投射輻射線的波長。投射輻射線的波長。物體的物體的A、R、D其大小取決于：其大小取決于：灰體灰體能以能以相同吸收率相同吸收率吸收吸收所有波長所有波長范圍輻射能的物體；范圍輻射能的物體；A與輻射線波長無關，即物體對投入輻射的吸收與輻射線波長無關，即物體對投入輻射的吸收率與外界無關；率與外界無關；不透過體，不透過體，A+R=1 工業(yè)上常見固體材料工業(yè)上常見固體材料(0.420 m)。特點：特點：(3) 輻射傳熱輻射傳熱 物體之間物體之間相互輻射與吸收輻射能相互輻射與吸收輻射

6、能的傳熱過程。的傳熱過程。物體在一定溫度下，單位時間、單位表面積所發(fā)出物體在一定溫度下，單位時間、單位表面積所發(fā)出全部波長的總能量。全部波長的總能量。 E（J/m2s，即，即W/m2） ddEEE0limdEE02 固體的輻射能力表征固體發(fā)射輻射能的本領表征固體發(fā)射輻射能的本領單色輻射能力單色輻射能力：在一定溫度下，物體發(fā)射：在一定溫度下，物體發(fā)射某種波某種波長長的能力，記作：的能力，記作：E(W/m3)定義：定義：(1) Planck law黑體的黑體的單色輻射能力單色輻射能力E Eb b隨波長隨波長、溫度、溫度T T的變化規(guī)律的變化規(guī)律 對應于每一溫度對應于每一溫度T均為一條能量分布曲線；

7、均為一條能量分布曲線；0,; 0, 0max,bbbbbEEEEE),(1/512TfeCETCb式中：式中： Eb黑體的單色輻射能力，黑體的單色輻射能力，W/m2； T 黑體的絕對溫度，黑體的絕對溫度，K； C1 常數，其值為常數，其值為3.74310-16，Wm2； C2 常數，其值為常數，其值為1.438710-2，mK。EbT3T2T1123TTT從從圖中圖中可見：可見：紫外災難紫外災難 T ，Eb，max移向波長較短的方向移向波長較短的方向 等溫線下的面積等溫線下的面積黑體的輻射能力黑體的輻射能力Eb另外：另外：32.910mT由于地表溫度和太陽表面溫度的差異，使由于地表溫度和太陽表

8、面溫度的差異，使得二者輻射波長不同，又由于大氣層中的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，導致吸收地球輻射波，導致溫室效應溫室效應。(2) Stefan-Boltzmann law( (四次方定律四次方定律) ) )(105102TfdeCdEETCbb42042804040/67.5/1067.5100KmWCKmWTCTEb4TEb黑體的輻射系數黑體的輻射系數由四次方定律：由四次方定律：Eb對對T敏感，敏感，T，熱輻射起主導作用。，熱輻射起主導作用。黑體黑體輻射能力輻射能力Eb與與T 間的關系間的關系(3) 灰體的輻射能力灰體的輻射能力E 4100TCE40100TCE

9、Eb：是物體本身的特性是物體本身的特性物體的性質；物體的性質；溫度；溫度；表面狀況表面狀況(表面粗糙度、氧化程度表面粗糙度、氧化程度)。由實驗測定由實驗測定將將Stefan-Boltamann law用于灰體：用于灰體：物體的黑度物體的黑度 為為 同溫度下同溫度下灰體與黑體的輻射能力之比，即灰體與黑體的輻射能力之比，即=E/Eb C：灰體輻射系數；：灰體輻射系數；定義定義：灰體輻射能力與吸收能力間灰體輻射能力與吸收能力間(EA)的關系的關系任何灰體的輻射能力與吸收率之比恒等于任何灰體的輻射能力與吸收率之比恒等于同一溫同一溫度下度下絕對黑體的輻射能力。絕對黑體的輻射能力。TfEAEAEb2211

10、數學表達式：數學表達式：A(4) Kirchhoff law即：即：或：或：同一灰體吸收率與其黑度在同一灰體吸收率與其黑度在數值數值上必相等。上必相等。 AE兩無限大的平行平壁兩無限大的平行平壁兩壁面間距離兩壁面間距離壁面尺寸；壁面尺寸；其中一壁面其中一壁面1灰體灰體T1、E1、A1T2，兩壁面間為透熱體，兩壁面間為透熱體(D=1)，系統(tǒng)對外絕熱。，系統(tǒng)對外絕熱。對壁面對壁面1，輻射傳熱的結果即兩壁面輻射傳熱的熱通量，輻射傳熱的結果即兩壁面輻射傳熱的熱通量q為：為：EbE1A1EbbEAEq11當兩壁面達到熱平衡時，當兩壁面達到熱平衡時，T1=T2 q=0 E1=A1Eb E1/A1=Eb推廣

11、到任意灰體，有：推廣到任意灰體，有：TfEAEAEb2211A1，EEb 且且 A= Kirchhoff law推導過程：推導過程：Kirchhoff law推導的推導的假設條件：假設條件：3 物體間的輻射傳熱 討論兩灰體間的輻射傳熱(1) 兩灰體間輻射傳熱過程的復雜性兩灰體間輻射傳熱過程的復雜性(與灰體與灰體黑體間輻射傳熱對比黑體間輻射傳熱對比) 因灰體因灰體AA1，則：，則：0121CC 兩大平行板兩大平行板1110 .12102121CC若為有限面積若為有限面積A1平行面：平行面：02121210.1CC 物體物體2恰好包住物體恰好包住物體1(A2A1)：1110.12102121CC4

12、 影響輻射傳熱的主要因素輻射傳熱量正比于輻射傳熱量正比于溫度的四次方之差溫度的四次方之差 同樣同樣T，在高溫時輻射，在高溫時輻射傳熱量傳熱量；如：如：T1=720K，T2=700K與與T1=120K，T2=100K兩者溫差相同，但兩者溫差相同，但在其它條件相同時，熱流量相差在其它條件相同時，熱流量相差240多倍多倍 高溫傳熱時，熱輻高溫傳熱時，熱輻射占主要地位射占主要地位；(1) 溫度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 遮熱板遮熱板阻擋輻射傳熱。阻擋輻射傳熱。兩輻射表面的形狀與大小、方位與距離兩輻射表面的形狀與大小、方位與距離

13、一表面對另一表面的一表面對另一表面的投射角投射角；(2) 幾何位置幾何位置(3) 表面黑度表面黑度通過改變表面黑度的方法強化or削弱輻射傳熱。(4) 輻射表面間介質的影響輻射表面間介質的影響例：計算遮熱板的作用。例：計算遮熱板的作用。 某車間內有一高度為某車間內有一高度為0.7m，寬，寬1m的鑄鐵爐門的鑄鐵爐門(已氧化已氧化)，表面溫度，表面溫度450，室，室 溫為溫為27。為減少爐門的輻射散熱，在距爐門。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處放置一塊與爐門大小 相同的鋁制遮熱板相同的鋁制遮熱板(已氧化已氧化)，試計算放置遮熱板前、后爐門因輻射而散失的，試計算放置遮熱板前

14、、后爐門因輻射而散失的 熱量。熱量。(鑄鐵鑄鐵1=0.75， 鋁鋁3=0.15)解：解：放遮熱板前，爐門為四周所包圍，則有放遮熱板前，爐門為四周所包圍，則有：KTKTAACC300,723,0.1211012121WTTACQ7893100100424110121放遮熱板后，因爐門與遮熱板間距離小放遮熱板后，因爐門與遮熱板間距離小兩者之間輻兩者之間輻射傳熱視為兩無限大平壁間的相互輻射，則有：射傳熱視為兩無限大平壁間的相互輻射，則有：1/1/1,0.13103131CC設鋁板溫度設鋁板溫度T3，則有：，則有：43411310311001001/1/1TTACQ遮熱板與四周的散熱量遮熱板與四周的散

15、熱量Q3-2為：為：424330323100100TTACQ穩(wěn)態(tài)傳熱，穩(wěn)態(tài)傳熱，Q1-3=Q3-2T3=609KQ1-3 =770W放置鋁板后爐門的輻射熱損失減少的百分率為：放置鋁板后爐門的輻射熱損失減少的百分率為：%2.9078937707893213121QQQ設置遮熱板設置遮熱板是減少輻射散熱有效方法，且遮熱板是減少輻射散熱有效方法，且遮熱板，遮熱板數遮熱板數，熱損失，熱損失。例：熱電偶的測溫誤差。例：熱電偶的測溫誤差。 裸露熱電偶裸露熱電偶測得管道內高溫氣體測得管道內高溫氣體T1=923K。 已知：管壁已知：管壁TW=440，熱電偶表面，熱電偶表面1=0.3，高溫氣體對熱電偶表面高溫氣

16、體對熱電偶表面1=50W/m2， 試求：管內氣體真實溫度試求：管內氣體真實溫度Tg及熱電偶測溫誤差；及熱電偶測溫誤差； 若采用單層遮熱罩若采用單層遮熱罩(2=0.3)抽氣式熱電偶，抽氣式熱電偶， 2=90W/m2(抽氣抽氣)， 試求：熱電偶的指示溫度試求：熱電偶的指示溫度T1。TWTgT2T1解：解： 裸露熱電偶裸露熱電偶穩(wěn)態(tài)傳熱：穩(wěn)態(tài)傳熱： 熱電偶與管壁輻射散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熱電偶表面對流傳熱KTTCTTTTCTTqCCAAWgWg10821001001001000 .1,04411011441011121012121絕對誤差絕對誤差159K；相對誤差相

17、對誤差14.7% 氣體對遮熱罩表面對流傳熱速率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氣體對熱電偶表面對流傳熱速率=遮熱罩與熱電偶輻射遮熱罩與熱電偶輻射散熱速率散熱速率KTTTCTTKTTTCTTgWg10451001001009100100214241011224420222絕對誤差絕對誤差37K；相對誤差；相對誤差3.4% 采用采用遮熱遮熱罩抽氣式熱電偶使罩抽氣式熱電偶使測溫精度測溫精度。 加遮熱罩，穩(wěn)態(tài)傳熱條件下：加遮熱罩，穩(wěn)態(tài)傳熱條件下：5 對流與輻射的聯合傳熱對流與輻射的聯合傳熱 管道、設備熱損失的計算管道、設備熱損

18、失的計算當管道當管道or設備外壁溫度設備外壁溫度TW T環(huán)境環(huán)境 Q損失損失= Q對流對流 + Q輻射輻射(1) 對流傳熱熱損失對流傳熱熱損失QCTTAQWWCC(2) 輻射傳熱熱損失輻射傳熱熱損失QRTTATTACQWWRWWR442121100100TTTTCWWR4421211001000 . 1(4) T的估算的估算 ( (有保溫層設備、管道外熱損失有保溫層設備、管道外熱損失) )1) 空氣空氣u5m/suT2 . 42 . 62) 空氣空氣u5m/s78. 08 . 7 uT 空氣沿粗糙壁面強制對流空氣沿粗糙壁面強制對流 空氣自然對流空氣自然對流(TW150)1) 平壁保溫層外：平壁保溫層外：TTWT07. 08 . 92) 管道或圓筒壁保溫層外：管道或圓筒壁保溫層外：TTWT052. 04 . 9(3) 設備總損失設備總損失QTTAQQQWWRCRCTTAQWWTT：對流對流輻射聯合表面?zhèn)鳠嵯禂递椛渎摵媳砻鎮(zhèn)鳠嵯禂道涸诶涸?198mm的蒸汽管道外包一層厚為的蒸汽管道外包一層厚為75mm，導熱系數為，導熱系數為