第5章辐射传热.ppt
5.5 辐 射 传 热,5.5.1 辐射换热基本概念5.1.1 热辐射的本质5.1.2 热辐射的吸收、反射和透过5.1.3 物体的辐射能力5.5.2 辐射换热基本定律5.2.1 普朗克定律5.2.2 四次方定律5.2.3 兰贝特定律5.2.4 克希荷夫定律,5.5.3 物体表面间的辐射换热5.3.1 两平行黑体表面组成的封闭体系的辐射换热5.3.2 两平行灰体表面组成的封闭体系的辐射换热5.3.3 任意放置的两灰体表面组成的封闭体系间的辐射换热5.5.4 气体辐射5.4.1 气体辐射特点5.4.2 气体的黑度5.4.3 火焰的辐射5.5.5 火焰炉炉膛内的热交换5.5.6 综合传热,5.5.1 辐射换热基本概念热辐射的本质,辐射是以电磁波为载体传递能量的过程，不需要任何中间介质，真空中也能进行热量传递。辐射能的载运体是电磁波，根据波长不同，电磁波可分为：,可见光（=0.380.76m）、红外线（=0.76800m）和无线电波（=1000m以上），工业温度范围内热辐射最显著的波段是0.7620m。,物体以电磁波（电场和磁场的交替变换）方式向外传递能量的过程称为辐射，被传递的能量称为辐射能。物体会因多种方式激发电磁波，如果物体由于自身温度或热运动而产生电磁波的传播，则称为热辐射，物体以热辐射方式进行的能量传递的过程称为辐射传热。辐射是一切物体的固有特性，只要物体温度高于绝对零度，就会不断地向外辐射能量。,物体辐射的能量随着物体温度高低而不同，不仅高温物体向外辐射能量，低温物体也向外辐射能量，所以辐射换热就是物体之间相互辐射和吸收的结果，只要参与辐射的各物体温度不同，辐射换热的差值就不等于零，最终低温物体得到的热量就是热交换的差值。,热辐射的吸收、反射和透过,如图所示，设有一束热射线能量为Q，投射到物体上以后，一部分能量被物体吸收，一部分能量,被反射，另一部分能量透过该物体，按能量平衡关系有:,当R=0，D=0，A=1时，落在物体上的全部辐射能都被该物体吸收，这种物体称绝对黑体，简称黑体。当A=0，D=0，R=1时，落在物体上的全部辐射能完全被该物体反射出去，这种物体称绝对白体，简称白体。当A=0，R=0，D=1时，落在物体上的辐射能全部透过该物体，这种物体称绝对透明体，简称透热体。如果物体对热辐射射线的反射角等于入射角，形成镜面反射，这样的物体称为镜体。,注意这里的黑体、白体、透热体与黑色、白色和透明体的区别；大多数工程材料都是不透过热射线的，热射线在物体表面很薄的一层内被吸收，薄层的厚度约为0.00030.1mm，所以D=0，A+R=1。自然界所有物体的吸收率、反射率、透过率都在01之间变化，没有绝对的黑体、白体和透热体。,绝对黑体模型：在空心物体的壁上开一个小孔，若小孔的面积小于空心物体内壁面积的0.6%，所有进入小孔的辐射热射线，在孔内多次反射以后99.6%以上被内壁吸收，此小孔就具有绝对黑体的性质。,物体的辐射能力,发射辐射能的物体，单位时间内，单位面积向半球空间发射的全部波长的辐射能量称辐射能力。常用E表示，单位为W m-2。发射辐射能的物体，单位时间内，单位面积向半球空间发射的某一单位波长范围内的辐射能量称单色辐射能力。常用E表示，单位为w m-2m-1。,辐射能力包括发射出去的波长=0到=的一切波长的射线，若设E代表波长到+范围内的辐射能力，则有单色辐射能力。因此，辐射能力与单色辐射能力之间存在关系,5.5.2 辐射换热基本定律普朗克定律,1900年，德国物理学家普朗克（M.Planck）根据量子理论，揭示了黑体的单色辐射能力与波长和绝对温度之间的规律，即，称为Planck定律，具体表达式为,式中 为波长，m；T为温度，K；C1为普朗克第一常数，3.74310-16Wm2；C2为普朗克第二常数，1.43910-2mK；根据公式，普朗克定律可以通过图形直观表达,由图可见：黑体的辐射光谱是连续的，其波长范围从0；当=0时，E0=0，随波长增加，单色辐射能力增大，当达到某一值时，E0有一峰值，以后又逐渐减小；温度越高，曲线峰值越向左移，当温度达到5800K时，峰值对应的波长进入可见光区，峰值对应的波长与绝对温度的关系为：（维恩位移定律）；辐射能力最强的波长范围是0.7610m，这正是红外线波长范围，处于工业温度范围6001400K。,四次方定律,黑体的辐射能力为,称为Stefan-Boltzmann定律，四次方定律。0称为斯蒂芬-波尔茨曼常数，0=5.6710-8 Wm-2K-4。,C0=5.67 Wm-2K-4。,四次方定律说明：随着温度升高，物体的辐射能力迅速增大，因此高温时辐射传热所占比例很大。只要绝对温度不为零，物体就会向外辐射能量，对黑体而言，温度确定后，辐射能力只与温度有关。,实际物体的单色辐射能力都小于同温度下黑体在该波长上的单色辐射能力，把实际物体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比称为该物体的黑度。黑度也称辐射率，表示实际物体的辐射能力接近黑体的程度。,黑度的概念,物体的黑度是物体的一种物性参数，取决于物体的材质，也与物体的温度、表面状态等有关，黑度可通过实验测定,如果物体的辐射光谱是连续的，在任何温度下任何波长的单色辐射能力E与黑体在同一波长的单色辐射能力E0之比都是同一数值，这种物体称为灰体。温度变化不大时，灰体的黑度可近似地认为不随温度而变，因此四次方定律也适用于灰体，由此可得到灰体的辐射能力为：,黑度的概念,兰贝特定律,四次方定律只说明了一个物体作为辐射源单位表面向半球空间发射的总能量。但究竟有多少能量落在另一个表面上，要考察一下辐射能按空间方向的分布规律，此规律由兰贝特（Lambert）定律阐明。1860年，Lambert根据对黑体的实验发现:,兰贝特定律，也称余定律,克希荷夫定律,1859年，德国物理学家G.R.Kirchhoff揭示了物体发射辐射能的能力与吸收辐射能的能力之间的关系，即物体的吸收率与辐射率（黑度）之间的关系:或,Kirchhoff定律说明：平衡状态下，任何物体的辐射能力与吸收率的比值恒等于同温度下黑体的辐射能力，与物体的表面性质无关，仅是温度的函数。表明任何物体的黑度都等于它对黑体辐射的吸收率，说明辐射和吸收在本质上是相同的，只是表现形式不同，即粒子由高能级向低能级跃迁时向外发射热射线，反之则吸收热射线。,5.5.3 物体表面间的辐射换热 两平行黑体表面组成的封闭体系的辐射换热,如图，两平行的黑体表面组成的封闭体系，其温度、吸收率和黑度分别为：T1，a1=1=1，T2，a2=2=1,则1面辐射的能量E1落到2面被全部吸收，2面辐射的能量E2落到1面被全部吸收，则2面得到热量为：,wm-2,两平行灰体表面组成的封闭体系的辐射换热,如图所示，两平行的灰体表面组成的封闭体系，其温度、吸收率和黑度分别为：T1、a1、1及T2、a2、2，透过率D1=D2=0。要计算两表面间的辐射换热量，需要用按辐射吸收反射吸收 无限循环追计的办法求解，分析如下：,1面辐射的能量 E12面吸收的部分 E1 a22面反射回去的部分 E1(1-a2)1面吸收反射回的部分 E1(1-a2)a11面又反射回的部分 E1(1-a2)(1-a1)2面又吸收的部分 E1(1-a2)(1-a1)a2,同理，2面辐射的能量 E21面吸收的部分 E2 a11面反射回去的部分 E2(1-a1)2面吸收反射回的部分 E2(1-a1)a22面又反射回的部分 E2(1-a1)(1-a2)1面又吸收的部分 E2(1-a1)(1-a2)a1,如此反复吸收和反射，最后被完全吸收。设，则1面自身辐射出去后又回到1面被它自身吸收的热量为：E1(1-a2)a1+E1(1-a2)2(1-a1)a1+.=E1(1-a2)a1(1+p+p2)=,1面吸收来自2面的热量：E2 a1+E2(1-a1)(1-a2)a1+=E2 a1(1+p+p2+)=1面热量收支差额为：,按四次方定律：,代入上式得：,任意放置的两灰体表面组成的封闭体系间的辐射换热（自学）,1、角度系数 如图3-10所示，两微元面dA1和dA2中心距离为r，面积和温度分别为A1、T1和A2、T2，连线r与它们的法线的夹角分别为1和2。1面辐射出去的能量不能全部落到2面上，我们把1面辐射出去的总能量落在2面上的份数称为1面对2面的角度系数，用12表示。,根据兰贝特定律，两个微元面间的热交换为：,上式积分得到：,得角度系数定义式：,从定义式可看到：只与物体表面形状、大小、距离、相互位置等几何因素有关，它是一个纯几何参数。通过上式计算十分繁琐，一般应用时只需计算一些简单封闭体系的角度系数，这可利用角度系数的一些特性完成。角度系数具有以下特性：角度系数的互换性（互变原理）A112=A212 直线传播原则（不能“自见”性）平面和凸面辐射出来的能量不能落在自身上，即不能“自见”角度系数的完整性对几个凸面或平面组成的封闭体系，由Q=Q1-2+Q1-3+Q1-3+得：,根据角度系数的上述特性，可以容易地得到冶金上常见的几种辐射换热情况的角度系数.,图3-11 冶金炉常见几种情况的角度系数,2、有效辐射是从指定表面发出的全部辐射能的总合，或离开指定表面的全部辐射能的总合，用Qe表示。,3、任意放置的两灰体表面组成的封闭体系间的辐射换热,现假设有两个任意放置的表面组成的封闭体系，两表面的温度、吸收率、黑度和面积分别为T1、a1、1、A1及T2、a2、2、A2，透过率D1=D2=0。用12表示1面对2面的角度系数，用21表示2面对1面的角度系数。根据热平衡，一个表面得到的净热量等于投射到该表面的热量减去该表面有效辐射所得的差额.,从2面之外观察，2面得到的净热量为 Q2Qe112+Qe222Qe2 Qe112+Qe2（221）Qe112Qe221 从2面之内观察，2面得到的净热量为 联解两式，得到,代回Q2表达式，得：,由于,所以,例题3.1 设马弗炉内表面A2=1m2，温度为900，黑度为0.8；炉底架子上有两块钢坯互相紧靠着正在加热，料坯断面为50mm50mm1000mm，钢的黑度为0.7。求金属温度500时炉壁对金属的辐射传热量。解：1=0.7，T1=500+273=773K，A1=60.51=0.3m2；2=0.8，T2=900+273=1173K，A2=1m2 根据图3-11第二种情况，坯料与炉壁之间的角度系数11=0，12=1；21=0.3/0.1=0.3，22=0.7；,即炉壁对金属的辐射传热量为17380W,5.5.4 气体辐射 气体辐射特点 1）气体对热射线的辐射和吸收具有选择性,固体的辐射光谱是连续的，能够辐射从0几乎所有波长的电磁波。而气体只辐射和吸收某些波长范围内的射线。例如CO2和H2O的辐射和吸收各有三个波段,单原子气体和对称双原子气体（如O2、N2、H2等）的辐射和吸收能力都很小，可以认为是热辐射的透明体，即A0、R=0、D=1；三原子气体（如CO2、H2O、SO2等）、多原子气体（如CH4等）和不对称双原子气体（如CO等）则有较强的辐射能力。,2）气体对热射线的辐射和吸收在容积内进行 固体对热射线的辐射和吸收在固体表面（0.000010.1mm）进行，内部靠传导传热。但对气体来说，当射线穿越气层时，气体在整个容积内对射线边透过边吸收，能量因被吸收而逐渐减弱。所以，气体对射线的吸收率ag取决于沿途所碰到的分子数N，而N与该气体的分压P和射线行程长度S及气体温度T有关，故 ag=f（PS，T）,3）克希荷夫同样适合气体辐射 气体的黑度也等于同温度下的吸收率，即ag=g，因此气体的黑度也是该气体的分压P和射线行程长度S及气体温度T的函数。,气体黑度是指气体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比，实际工程中，g 通过实验测定，并将实验数据整理成图表,气体的黑度,混合气体的黑度等于每种气体黑度的代数和，例如对CO2和H2O混合气体有：,火焰的辐射,气体燃料完全燃烧后，产物中可辐射气体只有CO2和H2O（O2和N2无辐射能力），由于它们的辐射光谱中没有可见光波段，所以火焰亮度很小，黑度也小，呈淡蓝色或无色，称为暗焰。,固体燃料（煤）或液体燃料（重油）燃烧时，火焰中含有大量分解的炭黑、灰粒等固体颗粒，辐射光谱是连续的，所以火焰明亮，黑度也大，称为辉焰。辉焰辐射能力很强，黑度计算复杂，一般根据经验确定。,5.5.5 火焰炉炉膛内的热交换,炉膛内的热交换相当复杂，参与热交换过程的物质包括高温炉气、高温炉壁和被加热的金属。三种传热方式同时存在：炉气、炉壁和金属之间相互进行辐射热交换，炉气以对流方式向炉壁和金属传热，金属表面吸收热量后以传导传热方式向内部传热，使金属内能增加温度升高，炉壁又通过导热损失一部分热量。,5.5.6 综合传热,将传热过程分为传导、对流、辐射是为了研究问题方便，实际传热过程通常是两种或三种传热方式的综合，称为综合传热。根据分析可知，流体流过固体表面时，流体与固体之间以对流和辐射方式发生热量交换，根据牛顿冷却公式和辐射换热公式有,对为对流换热系数，辐为辐射换热系数，为综合换热系数,
