传热学教学课件：heat transfer(phase change-radiation)1

1、第十七讲第十七讲 5. 热辐射 (thermal radiation) 问题问题 l 怎么得到四次方定律的 l 发射率或黑度的特性（方向性、与波长的关系） l 辐射与吸收的关系 l 不同物体之间的热辐射 5.1 热辐射的基本慨念 热辐射的形式 辐射速度 辐射波长 辐射强度 辐射与吸收 l 热辐射的形式 热与电磁波两种能量形式可以相互转换，物体具 有的热能以电磁波形式辐射，物体在接受辐射波 过程中又将电磁波转化成热能 任何温度高于绝对温度的物体都具有热辐射能力 可以通过真空辐射，而且效率最高 l 辐射速度与波长 光速 3.0108 m.s-1 波长 频率 cf 0.1100 m 10-510-4

2、10-310-210-1110102103104 m ray X ray ultraviolet thermal radiation infrared microwave visible 0.380.76 m 可见光 热辐射 l 表面辐射与容积辐射 气体及透明固体与液体，容积辐射； 一般不透明固体与液体，表面辐射（由表面约1um的分子 运动产生辐射）。 l 表面辐射的两个基本特性 Directional distribution Wavelength Emission blackbody l 辐射与吸收 吸收 透射 1 吸收比 反射比 透射比 黑体：1 镜体反射 漫反射 镜体： 1 0气体：

3、或很小 5.2. 黑体辐射（blackbody radiation) 理想物体 无论辐射的波长如何，方向如何，能被黑 体全部吸收； 对于同一温度，同波长辐射能力最大，且 与方向无关（diffuse emitter, 散射体） 辐射力的概念辐射力的概念 物体单位表面向所有辐射方向辐射的功率 W m-2 1 , 5 2 ( , ) exp(/) 1 b C ET CT 0.110 0 110 Visible 5800 K 2000 K 300 K 3 2.9010. mT m K ()m 21 (.)E W mm 5.2.1 普朗克定律(Planck law) 辐射力与波长、温度的关系辐射力与波长

4、、温度的关系 W.m-3 162 1 3.742 10.cW m 2 2 1.439 10.cm K m Wiens displacement law 5.2.2. Stanfan-Boltzman定律 4 0 ( ) bb EEdT 黑体辐射常数 824 5.67 10.W mK 见表8-1（p360） 黑体的总辐射力与黑体的总辐射力与 温度的关系温度的关系 当实际物体的发射率随波长变化时，需 要用黑体辐射函数计算 2 1 /5 0 0 (0) 44 1 cT b b c d E d e F TT 黑体辐射函数 （T的函数） 对于整个波长段的辐射 0 ( , )( , ) ( ) ( ) (

5、 )( ) b bb T ET d E T T E TE T 4 ( )( ) b E TE TT 1 2 3 1 2 3 1 23 12 12 1(02)(01)2(03)(02) ( , ) ( ) ( , )( , ) ( ) b b bb b bbbb ET d E T ET dET d E T FFFF 5.2.3. Lambert 定律 d 2/2 00 sin2 h ddd d rd sinr r sinrd 2 sin n dArd d 2 sin n dA dd d r 球面度 经度角 纬度角 对于半球 辐射强度与辐射方向的关系辐射强度与辐射方向的关系 dA cosdA d

6、定向辐射强度定向辐射强度 W.m-2.sr-1.um-1 dA上发出、辐射到dAn上的热流量 ( , , , ) cos d IT dAdd steradian 2/2 200 sincos bbb d EIddI dA 对于黑体，与纬度、经度无关对于黑体，与纬度、经度无关 定向辐射常数 Lambert law Diffuse emission 黑体辐射力是定向辐射常数的倍 ( )cos b dI T dAd ( ) cos b d I T dAd 5.3. 表面辐射(surface radiation) 对于实际物体，定向辐射能力与方向有关 Directional distribution

7、blackbody 发射率或黑度发射率或黑度 ( , , , ) ( , , , ) ( , ) b IT T IT 对于整个物体的 单波长辐射黑度 2/2 00 2/2 00 ( , , , )cos sin ( , ) ( , )cos sin b ITd d T ITd d 2/2 00 1 ( , , , )cos sinTd d Diffuse 漫射体 1 1 实际物体 但与方向无关 几种常见材料的法向发射率 n 温度（C)材料 光泽铬 1500.058 CrNi合金52-10340.64-0.76 光泽银 200-6000.02-0.03 耐火砖 500-10000.8-0.9 木

8、材 200.80-0.082 雪 00.8 水 0-100 0.96 玻璃 38-850.94 如图所示，Ab、A1、A2为很微小表面（面积均为10-3 m2),其中Ab为黑体表面，垂直方向辐射强度I=7000 W.m- 2.sr-1 求辐射到表面A1及A2的热流量 例题1 Ab A1 A2 60 45 30 0.5m0.5m I=7000 W.m-2.sr-1 例题例题2 0 0.8 0.4 2 5 ()m 某一温度为1600 K漫散射 表面，发射率如图所示，求对 应于全波长范围的发射率，并 由公式 计算总辐射热流量。 0 4 ET 作业：8-20 (数据补充： 波长范围1- ） 5.4.

9、基尔霍夫定律(Kirchhoffs law)与灰体（gray body) 光谱吸收比（spectral absorptivity) 吸收某波长辐射能的比率 b E A EA 吸收比与发射率的关系吸收比与发射率的关系 任何物体对黑体辐射的吸收比 等于同温度下该物体的发射率 b E AEA b E E 当辐射或表面为漫射体（diffuse),即辐强度I或 与方向无关时 单波 传热平衡条件下 第十八讲第十八讲 灰体（理想物体）：发 射率及吸收比与波长无 关 1 2 3 1 0 灰体段 工程上很多问题可以用灰体来处理 , 0 , 0 ( , ) ( , ) b b ET d ET d 同理： 根据基尔

10、霍夫定律 例题 如图所示，砖墙表面温度为 500K，燃烧中煤层表面温度 为2000K,设墙体为漫射体， 发射率与波长关系如图，煤层 至墙体的辐射可看成黑体，求： （1）墙面的发射率及辐射力； （2）墙体受煤层表面辐射的 吸收比。 coal brick Tc=2000K Tb=500K 0.5 0.8 1.510 ()m 0.1 5.5.气体辐射（gas radiation) p419-428 5.5.1. 气体的定波长辐射特性 0.1110 100 H2O O3 ultraviolet infrared CO2 辐射波长也在红外区域 Sun Esun 2.652.80 4.154.45 13.

11、0 17.0 m m m 极性分子 吸收波长范围与辐射波长范围对应 O3, H2O, CO2 5.5.2. 气体的容积辐射特性 平均射程平均射程 3.6 V s A 3 2 4 3 3.61.20.6 4 r srd r 3 2 3.60.6 6 b sb b b d squarecube ( , , )f T p s P424, 水蒸汽和二氧化碳的发射率计算 先根据气体温度和综合参数ps,求出 然后根据气体总压和分压进行校正 *(,) igi f Tp s * iii C i: CO2或水蒸汽 两种情况，发射率一样大？ P=2atm, pCO2/P =0.5 对于同一T和s P=1atm,

12、pCO2/P =1 水蒸气与CO2 共存情况 （自学） 为什么要进行校正？ 总压大，发射率增大（p424) 5.5.3. 气体层对辐射的吸收 dx x dI x 0 I dII dx 0 0 Ix I dI dx I 对于气体反射率 0 1 1 x e 吸收率与气体 层厚度有关 exp() o I x I exp() o I x I 5.5.4. 黑体箱内气体的辐射传热 Tw Tg 44 gggw qTT 气体传给箱壁的热流密度 与温度、气体种类、压力、平均射程长度有关 但可与发射率关联 222 0.45 g H OH OH O w T C T 222 0.65 g COCOCO w T C

13、T 其中， 2 H O 2 CO 仍用教材中图31-34查出， 2 w H O g T ps T 分别代替Tg 2 H O ps 和 用Tw 2 w CO g T ps T 但需用Tw和 和 分别代替Tg和 2 H O ps 不是灰体，发不是灰体，发 射率与吸收率射率与吸收率 一般不等一般不等 水蒸气与二氧化碳混合情况的发射率见p426 222222 w H O COH OH OCOCO T CC 根据pH2O/(pH2O+pCO2)修正 2222 w H O COH OCO T 混合气体的吸收率 例题例题9-8 (p427) 在直径为1 m, 长2 m的圆形烟道中，壁温为527 ， 烟气温度

14、为1027 ，压力为105 Mpa, 其中CO2占 10%， 水蒸气占8%，其余为不辐射气体，（1）试计 算烟气对整个筒壁（处理成封闭园筒）的平均发射率； （2）求烟气对筒壁辐射的吸收比；（3）烟气与筒壁 的热辐射量。 自学自学 5.6. 环境辐射（environmental radiation) 5.6.1. 太阳辐射(solar radiation) 太阳辐射造就地球上的宝贵能源太阳辐射造就地球上的宝贵能源 l 化学能（chemical energy) 煤炭（coal)、石油 (petroleum)、天 然气 （natural gas)、生物质(biomass)等） l 太阳能（solar

15、 energy) l 水力能（hydropower) l 风能（wind power) 太阳辐射的波长范围 0.23 m 0.48 m m 对应辐射能最大的波长 太阳温度（以黑体计算）3 2.9 10. mT m K 3 6 2.9 10 6041() 0.48 10 TK 太阳辐射能量（以黑体计算） 48452 5.68 1060003.4 10 (.)ETW m 太阳直径 9 1.39 10dm 292524 3.14 (1.39 10 )3.4 102.06 10d E （W） 辐射到地球外层的能量1.761017 W 17 8 24 1.76 10 8.5 10 2.06 10 地球分

16、享的能量比 P380 5.6.2. 地球辐射 0.1110 100 H2O O3 ultraviolet infrared Sun Earth Esun Esun scale10-6 3 2.9 10. mT m K T=290 K 地球的温度：吸收能量与发射能量的平衡如何？ ？ 22 ()(4) earthsunearthearth RqRT 2 1367 . sun wm 279TK 5.6.3. 温室效应 greenhouse 0.312345 透射比（%） 50 100 4.8mm 大气中CO2 浓度的影响 辐射波长在红外区域 2.652.80 4.154.45 13.0 17.0 m

17、 m m 波长（um） 物体表面对太阳能的吸收比与低温发射率 光泽铝 光泽铜 老化铜 铸铁 红砖 白色颜料 沥青 铺路石子 材料 0.15 0.18 0.65 0.94 0.75 0.12-0.16 0.90 0.29 黑漆0.97 (300K) 0.04 0.03 0.75 0.21 0.93 0.90-0.95 0.97 0.90 0.85 某一平板接受到太阳的照射的热流密度为700 W.m-2, 环境温度为25C,分别计算平板为石子材料和沥青质材 料时的表面平衡温度（不考虑对流传热）。 思考题 如何对流传热系数为10 W.m-2.K-1式，情况又如何？ 5.7.固体表面间的辐射传热 5.

18、7.1.角系数（view factor) r 2 1 X12= 1 2 dA1 dA2 从到的辐射能 的总辐射能 1111 12 11 cos b b IdAd X E dA 22 1 2 cosdA d r 1bb EI 212 12 2 coscosdA X r 112 21 2 coscosdA X r 112221 dA XdA X 第十九讲第十九讲 两个黑体表面间的净传热量 1211122221bb dAE XdA E X 当两个黑体的温度相 等时 4 12112221 ()0dA XdA XT 5.7.2 角系数的几个基本性质 112221 dA XdA X l 归一性 (summ

19、ation) l 相互对应性 （reciprocity) X12 X13 X14 X11 l 叠加性 (superposition) 1 1 1 n n n X 对于两个比较大的表面 12 1 1221 12 2 coscos1 AA dA dA X Ar 5.7.3 角系数的计算方法 5.7.3.1 直接积分法 不同形状表面间的角系数 例 如图所示，平面Ai与直径为D的圆形面Aj相距为L， 且AiAj，求Ai至Aj的角系数。 i A 12 j A 1 2 L D 12 2 coscos1 ij ijij AA i XdAdA AR 因为 ij AA 12 2 coscos j ijj A X

20、dA R r 2222 /2 1 222 0 2 /2 2 22222 0 cos/() 2 () 2 ()4 j D ijj A D LrL XdArdr RrL rdrD L rLDL R 5.7.3.2 代数分析法 A1 A2 A3 例，如图所示封闭系统，设直面方向很长，垂直于纸 面的两个面相对很小，可以忽略，计算三个面A1、A2和A3 之间的角系数 根据角系数的基本性质（对应 性，归一性和叠加性）计算角 系数的方法。 112221 113331 223332 1213 2123 3132 1 1 1 A XA X A XA X A XA X XX XX XX 根据角系数的基本性质可得一

21、下6个方程式 12 13 23 11 11 11 AA AA AA A 12 21 13 31 23 32 X X X X X X X 0 0 0 1 1 1 B 1 XA B 123 12 1 2 AAA X A 几种几何形状的角 系数见P401-402 Solar system SunVenus Earth Mars 计算太阳辐射到金星、地球 和火星的表面的平均能量密 度 Venus 2647-2576 Earth 1413-1321 Mars 715-492 行星上1m2至太阳的角系数 太阳表面到行星上1m2的角系数 例题 一个加热炉，直径75mm, 长150mm, 内部空间热 量只通过

22、上方圆面向环境散热，环境温度为27 ，其 他部分均良好绝热，热传递可以忽略，侧面和底部都可 以看成黑体辐射，温度分别为1350 和1650 ，求稳 定态时电炉的输出功率。 d=75mm L=150mm T2=1650 T1=1350 q 5.7.4. 具有灰体和漫射体性质物体间的辐射传热 如图所示，两个不同温度表面构成 以封闭系统，表面1至表面的辐射热 流量怎么计算？ A1, T1 A2, T2 1 2 空间热阻网络计算法空间热阻网络计算法 GJ T A G为到达固体表面辐射力； J为固体表面辐射力 (1) (1) b b b JEG EG EG ( 11 bb AJAG JEAEAJ A J

23、 ） 净热流量 (1)/ b EJ A 1 b JE G 看成空间热阻 J1 J2 12()111221221 12 112 1/() net J A XJ A X JJ A X Eb1J1 J2Eb2 1 11 1 A 2 22 1 A 112 1 A X 空间热阻网络示意图空间热阻网络示意图 例题，如图所示，两个不同温度表 面构成以封闭系统，求表面1至表面 的辐射热流量 （用空间阻力网络法 计算） A1, T1 A2, T2 1 2 Eb1J1 J2Eb2 1 11 1 A 2 22 1 A 112 1 A X 12 12 12 12 1111222 111 bb EE AA XA 44

24、1212 12 () 1/1/1 TT q A 12 AA Infinite parallel planes 如图所示，两个无限大平行 平板(y和z方向相对于x方向 很大）的辐射热流量 Eb1J1 J2 Eb2 1 11 1 A 2 22 1 A 12 12 12 12 1111222 111 bb EE AA XA 因为 12 12 1 AA X T1 T2 212 1 A X Infinite concentric cylinders 1212 1 / /0 AAr r rL 44 112 1122 () 1/(1/1) A TT q r r 44 112 22 1122 () 1/(1/

25、1) A TT q rr 22 1212 /AArr Concentric sphares 44 112 1122 () 1/(/)(1/1) A TT q AA 以上几个公式的通式 第二十讲 4 .换热器（heat exchanger) 4.1换热器的分类 间壁式(recuperators）：冷热流通过壁传热交换 混合式：直接接触热交换 间壁式 套管式（double pipe) 管壳式 (shell and tube) 交叉流 (cross flow) 板式 （plate) 螺旋板 (spiral plate) Shell-tube heat exchanger 4.2. 简单顺逆流换热器平

26、均温差计算 ,cc i m T , , ,h h i mT ,h o T , c o T Parallel-flow heat exchanger , c i T ,h i T ,h o T , c o T 1 T 2 T T dA , , hp hh cp cc dk TdA dm cdT dm cdT , () 11 () hc hp hcp c dTdTdT d m cm c , ()11 () hp hcp c dT kdA Tm cm c , 2 1 ()() ln() h ih oc ic o TTTTT kA T 21 2 1 ln() TT kA T T 21 2 1 ln()

27、 lm TT T T T , c i T ,h i T ,h o T , c o T Counterflow , c i T ,h i T ,h o T , c o T 1 T 2 T 21 2 1 ln() TT kA T T 2, 1, h oc i h ic o TTT TTT 逆流的对数平均值大于顺流的对数平均值 4.3 多程换热器（Multipass) 壳侧一程、管侧多程 , lmlm cf TT 逆流时的对数平均温差 ti to Ti T0 管 壳 0i ii tt P Tt io oi TT R tt 0.21 2.0 0 1 1 壳测两程、交叉式的计算方法见p479-480 4

28、.4. 传热系数的计算 11 ooo wi oooiii RAA RR khAh A 管外表面传热系数 管外污垢面积热阻 肋效率 管外表面积 管内表面积 管内表面传热系数 管内污垢面积热阻 壁管导热面积热阻 1(1) () f of t c f c NA A th mL mL Af f t NA A 4.5. 换热器的传热单元数法（the number of transfer units, NTU) 换热器可能达到的最大热流量 max, min(,)() hp hcp ch ic i m cm cTT , max, () min(,)() hp hh ih o hp hcp ch ic i m

29、 cTT m cm cTT 换热器效能 （Effectiveness) , min(,)() hp hcp ch ic o m cm cTT , , min max min(,) , (,) , hp hcp c hp hcp c m cm c fNTU max m cm c C fNTU C , min(,) hp hcp c kA NTU m cm c 看顺流情况 , min(,) hp hcp chp h m cm cm c , max, , , () min(,)() hp hh ih o hp hcp ch ic i h ih o h ic i m cTT m cm cTT TT T

30、T , min ,max min(,) (,) hp hcp chp h hp hcp ccp c m cm cm c C max m cm cm cC , ()11 () hp hcp c dT kdA Tm cm c 由 ,0, , ln(1) hp hhc o h ic ihp hcp c m CTT kA TTm Cm C minmin maxmax ln 1(1)(1) CC NTU CC min max min max 1 exp1 1 C NTU C C C 效能是 , , min(,) , (,) hp hcp c hp hcp c m cm c fNTU max m cm c P488-489 Example Hot exhaust gases, which enter a finned tube, cross flow exchanger at 300 and leave at 100 , are used