第六章 輻射傳熱及管式加熱爐1

1、第六章輻射傳熱與管式加熱爐第一節(jié)熱輻射的基本概念一、熱輻射的特性一、熱輻射的特性二、熱輻射的吸收、反射和透過二、熱輻射的吸收、反射和透過三、黑體的定義三、黑體的定義四、物體的輻射能力、輻射強(qiáng)度四、物體的輻射能力、輻射強(qiáng)度在傳遞過程中不需要任何介質(zhì)；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；且還有能量形式的轉(zhuǎn)換；任何物質(zhì)，只要任何物質(zhì)，只要T TK K，均可輻射熱量；，均可輻射熱量；一、熱輻射的特性一、熱輻射的特性第一節(jié)熱輻射的基本概念輻射：用電磁波傳遞能量的過程輻射：用電磁波傳遞能量的過程特點(diǎn)：特點(diǎn)：電磁輻射波譜

2、：電磁輻射波譜：輻射線名稱輻射線名稱宇宙射線宇宙射線伽馬射線伽馬射線倫琴射線倫琴射線紫外線紫外線可見光可見光紅外線紅外線無線電波無線電波波長(zhǎng)波長(zhǎng)/m /m 1 11010-7-7 1 11010- -1 11010-5-5 1 11010-5-52 21010-2-2 2 21010-2-20.38 0.38 0.380.380.76 0.76 0.760.761 110103 3 1 110103 32 210101010 熱射線熱射線第一節(jié)熱輻射的基本概念二、熱輻射的吸收、反射和透過：二、熱輻射的吸收、反射和透過： 定義：定義：= Q= Q/Q /Q 吸收率吸收率 = Q= Q/Q /Q

3、反射率反射率 = Q= Q/Q /Q 透過率透過率第一節(jié)熱輻射的基本概念吸收率吸收率、反射率、反射率和透過率和透過率 Q= QQ= Q+ Q+ Q+ Q+ Q或或 Q Q/Q + Q/Q + Q/Q + Q/Q + Q/Q=1/Q=1+=1+=1說明：說明：a. a. 凡是善于反射的物體就一定不能很好的吸收熱輻射；凡是善于反射的物體就一定不能很好的吸收熱輻射；b.b.對(duì)熱射線的反射和吸收有重大影響的，不是表面的顏色，對(duì)熱射線的反射和吸收有重大影響的，不是表面的顏色，而是表面的狀況；而是表面的狀況；c.c.鏡反射鏡反射d.=1d.=1，=0=0，全反射體，又稱絕對(duì)白體或鏡體；，全反射體，又稱絕對(duì)

4、白體或鏡體； =1=1，=0=0：透明體，如空氣；：透明體，如空氣； =1=1，=0=0：黑體：黑體第一節(jié)熱輻射的基本概念三、黑體的定義：三、黑體的定義：黑表面：黑表面：能全部吸收投射到它表面上的熱輻射的表面。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，稱為黑體：具有黑表面的物體，稱為絕對(duì)黑體絕對(duì)黑體，或簡(jiǎn)稱，或簡(jiǎn)稱 黑體，用下標(biāo)黑體，用下標(biāo)“0”0”表示表示 說明：說明：自然界中并不存在真正的絕對(duì)黑體；自然界中并不存在真正的絕對(duì)黑體； 黑體模型：黑體模型：第一節(jié)熱輻射的基本概念四、物體的輻射能力、輻射強(qiáng)度：四、物體的輻射能力、輻射強(qiáng)度： 物體的輻射能力物體的輻射能力E E

5、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)（的全部波長(zhǎng)（=0=0）的總輻射能，稱為物體的輻射能力）的總輻射能，稱為物體的輻射能力又稱半球輻射能力或自身輻射又稱半球輻射能力或自身輻射dAdQE W/mW/m2 2 說明：說明：E E與表面的性質(zhì)、溫度有關(guān)：與表面的性質(zhì)、溫度有關(guān)：TETE；相同的溫度下，黑體的輻射能力最大。相同的溫度下，黑體的輻射能力最大。第一節(jié)熱輻射的基本概念定義：物體在定義：物體在至至+的波段內(nèi)的輻射能力的波段內(nèi)的輻射能力 W/mW/m3 3說明：說明：E E反映了物體的輻射能力隨反映了物體的輻射能力隨（

6、0-0-）的分布情況：）的分布情況：ddEElimE0E Ef f（波長(zhǎng)，（波長(zhǎng)，T T，表面狀況），表面狀況）0dEE第一節(jié)熱輻射的基本概念單色輻射能力單色輻射能力E：立體角：物體表面立體角：物體表面dAdA對(duì)輻射面所張開的角度對(duì)輻射面所張開的角度立體角的大小為球面面積立體角的大小為球面面積dAdA與球的半徑與球的半徑R R2 2的比值，單位為球面的比值，單位為球面度，以度，以SrSr表示表示第一節(jié)熱輻射的基本概念立體角和輻射強(qiáng)度立體角和輻射強(qiáng)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)的輻射能立體角所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻

7、射能 W/(mW/(m2 2sr)sr)說明：說明：dd物體向給定方向發(fā)射能量所占據(jù)的立物體向給定方向發(fā)射能量所占據(jù)的立體角，體角，srsr（球面度）；（球面度）； E E與與I I的關(guān)系為：的關(guān)系為：ddEdAdQdI220IdE第一節(jié)熱輻射的基本概念第二節(jié) 黑體輻射的基本定律一、一、 普朗克（普朗克（PlanckPlanck）定律）定律 黑體輻射能力按波長(zhǎng)的分布規(guī)律黑體輻射能力按波長(zhǎng)的分布規(guī)律二、二、 斯蒂芬斯蒂芬- -波爾茲曼（波爾茲曼（Stefan-BoltzmanStefan-Boltzman）定律）定律 黑體輻射能力與溫度的關(guān)系黑體輻射能力與溫度的關(guān)系三、三、 蘭貝特（蘭貝特（La

8、mbertLambert）定律余弦定率）定律余弦定率一、普朗克（一、普朗克（PlanckPlanck）定律：）定律：黑體的單色輻射能力與波長(zhǎng)及溫度的定量關(guān)系：黑體的單色輻射能力與波長(zhǎng)及溫度的定量關(guān)系：12510T/CeCE式中：式中：黑體輻射的波長(zhǎng)，黑體輻射的波長(zhǎng)，m m；T T黑體的絕對(duì)溫度，黑體的絕對(duì)溫度，K K；C C1 1、C C2 2普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，C C1 1=3.743=3.7431010-16-16WmWm2 2； C C2 2=1.4387=1.43871010-2-2mKmK；E E00黑體的單色輻射能力，黑體的單色輻射能力，W/mW/m2 2。 第二節(jié) 黑體輻射的

9、基本定律討論：討論：黑體的黑體的E E00與表面形狀無關(guān)，與表面形狀無關(guān)，E E00=f(,T)=f(,T)；如圖：當(dāng)如圖：當(dāng)00或或時(shí)，時(shí)，E Eoo00；同一波長(zhǎng)下，；同一波長(zhǎng)下，TETE00； 第二節(jié) 黑體輻射的基本定律在全部波長(zhǎng)范圍內(nèi)單色輻射能力有且只有一個(gè)最大值。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。0ddEo微分，令：微分，令：KmTm3109 . 2維恩（維恩（WienWien）位移定律）位移定律 故：黑體單色輻射能力的最大值隨著其溫度的升高向波長(zhǎng)故：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)。較短的一邊移動(dòng)。第二節(jié) 黑體輻射的基本定律可憑借火焰的顏色

10、來判斷火焰的溫度：可憑借火焰的顏色來判斷火焰的溫度：溫度溫度7007009009001100110014001400火焰火焰顏色顏色暗紅暗紅櫻桃櫻桃紅紅橙黃橙黃白色白色熾熱體熾熱體太陽表面：太陽表面：T6000KT6000K，可見光范圍；，可見光范圍；工業(yè)溫度（約工業(yè)溫度（約20002000）：集中在）：集中在=0.8=0.810m10m的紅外線的紅外線波段內(nèi)。波段內(nèi)。 第二節(jié) 黑體輻射的基本定律二、斯蒂芬波爾茲曼二、斯蒂芬波爾茲曼(Stefan-Boltzman)(Stefan-Boltzman)定律：定律：黑體的全波長(zhǎng)輻射能力黑體的全波長(zhǎng)輻射能力 ：deCdEET/C12510000積分后

11、：積分后：40400100TCTE式中：式中：0 0黑體輻射常數(shù)，黑體輻射常數(shù)，0 0=5.67=5.671010-8-8W/(mW/(m2 2KK4 4) ) C C0 0=5.67 =5.67 故：故：E E0 0TT，高溫時(shí)不能忽略輻射傳熱。，高溫時(shí)不能忽略輻射傳熱。第二節(jié) 黑體輻射的基本定律三、蘭貝特定律三、蘭貝特定律余弦定律：余弦定律：內(nèi)容：黑表面向任一方向發(fā)射的輻射強(qiáng)度等于法線方向上的輻內(nèi)容：黑表面向任一方向發(fā)射的輻射強(qiáng)度等于法線方向上的輻射強(qiáng)度與法線方向與該方向夾角的余弦的乘積射強(qiáng)度與法線方向與該方向夾角的余弦的乘積cos00nII I I0n0n黑體的微元面積黑體的微元面積dA

12、dA在法線方向上在法線方向上 的輻射強(qiáng)度，的輻射強(qiáng)度，W/(mW/(m2 2sr)sr)；給定方向與法線方向的夾角，給定方向與法線方向的夾角，srsr第二節(jié) 黑體輻射的基本定律說明：說明：當(dāng)當(dāng)=0=0時(shí)，時(shí)，I I=0=0=I=I0n0n，輻射強(qiáng)度最大；當(dāng)，輻射強(qiáng)度最大；當(dāng)=90=90時(shí)，時(shí)，I I=90=90=0=0； I I0n0n和和E E0 0的關(guān)系：的關(guān)系：上式說明：上式說明：E E0 0為為I Ionon的的倍；倍；nIdIEE020200n200022on02000dcossindIddsinRdRsinRdRdAdcosIIdI蘭貝特定律又稱余弦定律；蘭貝特定律又稱余弦定律；第

13、二節(jié) 黑體輻射的基本定律遵循蘭貝特定律的表面稱為蘭貝特表面，黑體表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；面就是一個(gè)蘭貝特表面；以上三個(gè)定律只適用于黑體。以上三個(gè)定律只適用于黑體。第二節(jié) 黑體輻射的基本定律第三節(jié) 固體的熱輻射一、實(shí)際物體與黑體的區(qū)別與聯(lián)系一、實(shí)際物體與黑體的區(qū)別與聯(lián)系二、灰體二、灰體三、克?；舴颍ㄈ?、克?；舴颍↘irchhoffKirchhoff）定律）定律一、實(shí)際物體與黑體的區(qū)別與聯(lián)系一、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

14、；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；相對(duì)輻射能力：相對(duì)輻射能力：=E/E=E/E0 0，又稱黑度，輻射率，又稱黑度，輻射率影響因素：影響因素：與物體溫度和表面性質(zhì)（表面溫度、表面狀況等）有關(guān)；與物體溫度和表面性質(zhì)（表面溫度、表面狀況等）有關(guān)；恒小于恒小于1 1。 第三節(jié) 固體的熱輻射實(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定律物體的單色黑度物體的單色黑度 ： =E=E/ E/ E00- -又稱單色發(fā)射能力又稱單色發(fā)射能力 影響因素：影響因素：f f（T,T,，物體表面性質(zhì)）；，物體表面性質(zhì)）；恒小于恒小于1

15、 1，黑體單色輻射能力最大。，黑體單色輻射能力最大。第三節(jié) 固體的熱輻射實(shí)際物體對(duì)投入輻射能的吸收率實(shí)際物體對(duì)投入輻射能的吸收率11單色吸收率單色吸收率： 在給定波長(zhǎng)在給定波長(zhǎng)和入射角和和入射角和下，一個(gè)實(shí)際表面吸收的能下，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。量與一個(gè)黑表面吸收的能量之比值。 說明：說明：、(0(0，1)1)；實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)表明， 、 、 不僅與物體本不僅與物體本身的性質(zhì)有關(guān)，而且與投入輻射的波長(zhǎng)及角度有關(guān)。身的性質(zhì)有關(guān)，而且與投入輻射的波長(zhǎng)及角度有關(guān)。第三節(jié) 固體的熱輻射二、灰體二、灰體灰體定義灰體定義假如某種物體的單色輻射能力假如某種物體的單色輻射能力E E

16、與同一溫度下絕與同一溫度下絕對(duì)黑體的單色輻射能力對(duì)黑體的單色輻射能力E E00之比等于常數(shù)，即在之比等于常數(shù)，即在所有波長(zhǎng)下，物體的單色黑度所有波長(zhǎng)下，物體的單色黑度等于常數(shù)，這等于常數(shù)，這種物體叫做灰體種物體叫做灰體灰體也是一種理想物體灰體也是一種理想物體第三節(jié) 固體的熱輻射一般工業(yè)溫度范圍一般工業(yè)溫度范圍(T(T2000)2000)內(nèi)，一般固、液態(tài)物體內(nèi)，一般固、液態(tài)物體均可認(rèn)為是灰體（氣體除外），于是：均可認(rèn)為是灰體（氣體除外），于是： 灰體的灰體的E E-曲線與黑體的曲線與黑體的E E-曲線相似，二者在同一曲線相似，二者在同一溫度下的最大單色輻射能力都位于同一溫度下的最大單色輻射能力都

17、位于同一m m處；處；400TEE黑體是灰體的特例黑體是灰體的特例 ：= 1 1討論：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（灰表面符合蘭貝特（LambertLambert）定律；）定律； 第三節(jié) 固體的熱輻射三、克?；舴颍ㄈ?、克?；舴颍↘irchhoffKirchhoff）定律）定律內(nèi)容：假設(shè)一個(gè)溫度為內(nèi)容：假設(shè)一個(gè)溫度為T T1 1的物體，在一個(gè)溫度為的物體，在一個(gè)溫度為T T2 2的黑體的黑體包殼內(nèi)，則無論包殼內(nèi)，則無論T T1 1和和T T2 2是否相等，該物體表面的單是否相等，該物體表面的單色黑度等于

18、它的單色吸收率色黑度等于它的單色吸收率 ，即：，即：= 證明：由該物體發(fā)射的輻射為：證明：由該物體發(fā)射的輻射為： 被該物體吸收的輻射為：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：假定該物體和包殼處于熱平衡狀態(tài)，則：q qe e=q=q或或 由由T T1 1=T=T2 2，則，則E E0,10,1= E= E0,20,2，帶入上式有：，帶入上式有：=dEq20dEdE2010dEqe10第三節(jié) 固體的熱輻射第四節(jié) 氣體的熱輻射一、氣體輻射與吸收的特點(diǎn)一、氣體輻射與吸收的特點(diǎn) 二、煙氣的黑度二、煙氣的黑度三、煙氣的吸收率三、煙氣的吸收率不同氣體具有不同的輻射能力不同氣體具有不同的

19、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，氣體和氫、氮、氧等，不具有吸收熱輻射的能力，可看作透明體?？煽醋魍该黧w。 而三原子，多原子氣體以及結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的雙原而三原子，多原子氣體以及結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的雙原子分子，如子分子，如COCO2 2、H H2 2O O、SOSO2 2、COCO、CHCH2 2 ，烴類和醇類，烴類和醇類等，則有相當(dāng)大的輻射能力和吸收能力。等，則有相當(dāng)大的輻射能力和吸收能力。一、氣體輻射與吸收的特點(diǎn)一、氣體輻射與吸收的特點(diǎn)第四節(jié) 氣體的熱輻射氣體輻射對(duì)波長(zhǎng)有選擇性氣體輻射對(duì)波長(zhǎng)有選擇性 氣體只

20、在某些特定的波段光帶內(nèi)具有吸收能力。煙氣體只在某些特定的波段光帶內(nèi)具有吸收能力。煙氣中的氣中的COCO2 2和和H H2 2O O主要光帶如下：主要光帶如下： CO2H2O第一光帶2.65-2.80m2.55-2.84m第二光帶4.15-4.45m5.6-7.6m第三光帶13.0-17.0m12.0-30.0m 這些光帶均位于可見光范圍之外，所以，即使在高溫這些光帶均位于可見光范圍之外，所以，即使在高溫下下COCO2 2和和H H2 2O O也不能被人眼看見。也不能被人眼看見。第四節(jié) 氣體的熱輻射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是在整個(gè)容積中進(jìn)行的 氣體的輻射和吸收與氣體所在的容器的形狀和體氣體的輻射和吸收與氣體所在的容器的形狀和體積有關(guān)。積有關(guān)。 氣體的輻射和吸收取決于氣層厚度、氣體的溫度氣體的輻射和吸收取決于氣層厚度、氣體的溫度和分壓。和分壓。定義平均輻射長(zhǎng)度定義平均輻射長(zhǎng)度L