管式加热炉热辐射的基本概念ppt课件

1、第七章管式加热炉第七章管式加热炉第第1 1节热辐射的根本概念节热辐射的根本概念1.1 1.1 根本概念根本概念1.2 1.2 黑体辐射的根本定律黑体辐射的根本定律1.3 1.3 实践物体的热辐射实践物体的热辐射1.4 1.4 气体的辐射与吸收气体的辐射与吸收1.1 1.1 根本概念根本概念1.1.1 1.1.1 热辐射的特性热辐射的特性1.1.2 1.1.2 热辐射的吸收、反射和透过热辐射的吸收、反射和透过1.1.3 1.1.3 黑体的定义黑体的定义1.1.4 1.1.4 物体的辐射才干、辐射强度物体的辐射才干、辐射强度1.1.1 1.1.1 热辐射的特性：热辐射的特性：定义：用电磁波传送能量

2、的过程定义：用电磁波传送能量的过程特点：在传送过程中不需求任何介质；特点：在传送过程中不需求任何介质；热辐射过程中不仅有热量的转热辐射过程中不仅有热量的转移过程，而移过程，而 且还有能量方式的转换；且还有能量方式的转换；任何物质，只需任何物质，只需T TK K，均可，均可辐射热量；辐射热量；微粒性：发射和吸收时光子光子能量微粒性：发射和吸收时光子光子能量E E动摇性：传播时电磁波波长动摇性：传播时电磁波波长或频率或频率特性：特性：E = h =C/电磁辐射波谱：电磁辐射波谱：辐射线称号辐射线称号宇宙射线宇宙射线伽马射线伽马射线伦琴射线伦琴射线紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线无线电波无线电波

3、波长波长/m /m 1 110-7 10-7 1 110-10-1 110-5 10-5 1 110-510-52 210-2 10-2 2 210-210-20.38 0.38 0.380.380.76 0.76 0.760.761 1103 103 1 11031032 21010 1010 热射线热射线注：固体液体的光谱延续；气体光谱不延续注：固体液体的光谱延续；气体光谱不延续1.1.2 1.1.2 热辐射的吸收、反射和透过：热辐射的吸收、反射和透过： Q= Q+ Q+ Q Q= Q+ Q+ Q或或 Q/Q + Q/Q + Q/Q=1 Q/Q + Q/Q + Q/Q=1吸收率吸收率、反射

4、率、反射率和透过率和透过率：定义：定义：= Q/Q = Q/Q 吸收率吸收率 = Q/Q = Q/Q 反射率反射率 = Q/Q = Q/Q 透过率透过率阐明：阐明：a. a. 凡是擅长反射的物体就一定不能很好的吸收热凡是擅长反射的物体就一定不能很好的吸收热辐射；辐射；b.b.、= f= f物体性质、物体性质、T T、辐射波长、辐射波长； 对热射线的反射和吸收有艰苦影响的，不是外表对热射线的反射和吸收有艰苦影响的，不是外表的颜色，而是外表的情况；的颜色，而是外表的情况；c.c.定义：镜反射；漫反射定义：镜反射；漫反射d.=1d.=1，=0=0：全反射体，又称绝对白体或镜体：全反射体，又称绝对白体

5、或镜体如理想的金属镜面；如理想的金属镜面； =1 =1，=0=0：透明体，如空气；：透明体，如空气； =1 =1，=0=0：黑体：黑体1.1.3 1.1.3 黑体的定义：黑体的定义：黑外表：能全部吸收投射到它外表上的热辐射的外表黑外表：能全部吸收投射到它外表上的热辐射的外表黑体：具有黑外表的物体，称为绝对黑体，或简称黑体：具有黑外表的物体，称为绝对黑体，或简称 黑体，用下标黑体，用下标“0 0表示表示 阐明：自然界中并不存在真正的绝对黑体；阐明：自然界中并不存在真正的绝对黑体； 黑体模型：黑体模型：1.1.4 1.1.4 物体的辐射才干、辐射强度：物体的辐射才干、辐射强度： 物体的辐射才干物体

6、的辐射才干E E：定义：物体单位外表积、单位时间向半球空定义：物体单位外表积、单位时间向半球空间一切方向发射的全部波长间一切方向发射的全部波长=0=0的总辐射能，又称半球辐射才干、本身辐的总辐射能，又称半球辐射才干、本身辐射射dAdQdE2W/m2 W/m2 阐明：阐明：E E与外表的性质、温度有关：与外表的性质、温度有关：TETE；一样的温度下，黑体的辐射才干最大。一样的温度下，黑体的辐射才干最大。1.1.4 1.1.4 物体的辐射才干、辐射强度：物体的辐射才干、辐射强度：单色辐射才干单色辐射才干EE：定义：物体在定义：物体在至至+的波段内的辐射才的波段内的辐射才干干 W/(m2m)或W/m

7、3阐明：阐明：EE反映了物体的辐射才干随反映了物体的辐射才干随0-0-的的分布情况：分布情况：ddEElimE0EEEE， E Ef f波长，波长，T T0dEE1.1.4 1.1.4 物体的辐射才干、辐射强度：物体的辐射才干、辐射强度：立体角和辐射强度：立体角和辐射强度：立体角：以物体外表上的一点对辐射面所张开立体角：以物体外表上的一点对辐射面所张开的角度的角度辐射强度：物体单位外表积、单位时间内向空辐射强度：物体单位外表积、单位时间内向空间单位立体角所发射的全部波长的间单位立体角所发射的全部波长的辐射能辐射能 W/(m2sr)阐明：阐明：dd物体向给定方向发射能量所占据的立物体向给定方向发

8、射能量所占据的立体角，体角，srsr球面度；球面度； E E与与I I的关系为：的关系为：ddEddAdQdI320IdE1.2 1.2 黑体辐射的根本定律黑体辐射的根本定律1.2.1 1.2.1 普朗克普朗克PlanckPlanck定律定律 黑体辐射才干按波长的分布规律黑体辐射才干按波长的分布规律1.2.2 1.2.2 斯蒂芬斯蒂芬- -波尔兹曼波尔兹曼Stefan-BoltzmanStefan-Boltzman 定律黑体辐射才干与温度的关系定律黑体辐射才干与温度的关系1.2.3 1.2.3 兰贝特兰贝特LambertLambert定律余弦定率定律余弦定率1.2.1 1.2.1 普朗克普朗克

9、PlanckPlanck定律：定律：黑体的单色辐射才干与波长及温度的定量关系：黑体的单色辐射才干与波长及温度的定量关系：12510T/CeCE式中：式中：黑体辐射的波长，黑体辐射的波长，m m；T T黑体的绝对温度，黑体的绝对温度，K K；C1C1、C2C2普朗克常数，普朗克常数，C1=3.743C1=3.74310-10-16Wm216Wm2； C2=1.4387C2=1.438710-2mK10-2mK；E0E0黑体的单色辐射才干，黑体的单色辐射才干，W/m2W/m2。 讨论：讨论：黑体的黑体的E0E0与外表外与外表外形无关，形无关，E0=f(,T)E0=f(,T)；如图：当如图：当00或

10、或时，时，Eo0Eo0；同一波长下，同一波长下，TE0TE0； 讨论：讨论：在全部波长范围内单色辐射才干有且只在全部波长范围内单色辐射才干有且只需一个最大值：需一个最大值：0ddEo微分，令：微分，令：KmTm3109 . 2维恩维恩WienWien位移定律位移定律 故：黑体单色辐射才干的最大值随着其温度的升高向波长故：黑体单色辐射才干的最大值随着其温度的升高向波长较短的一边挪动。较短的一边挪动。可凭仗火焰的颜色来判别火焰的温度：可凭仗火焰的颜色来判别火焰的温度：温度70090011001400火焰颜色暗红樱桃红橙黄白色炽热体温度温度14001400，可见光范围；，可见光范围；太阳外表：太阳外

11、表：T6000KT6000K，可见光范围；，可见光范围；工业温度约工业温度约20002000：集中在：集中在=0.8=0.810m10m的红外线的红外线波段内。波段内。 1.2.2 1.2.2 斯蒂芬波尔兹曼斯蒂芬波尔兹曼Stefan-BoltzmanStefan-Boltzman定律：定律：黑体的全波长辐射才干黑体的全波长辐射才干 ：deCdEET/C12510000积分后：积分后：40400100TCTE式中：式中：00黑体辐射常数，黑体辐射常数， 0=5.67 0=5.6710-8W/(m2K4) 10-8W/(m2K4) C0=5.67 C0=5.67 故：故：E0TE0T，高温时不能

12、忽略辐射传热。，高温时不能忽略辐射传热。1.2.3 1.2.3 兰贝特定律兰贝特定律余弦定律：余弦定律： 阐明了黑体外表向它上面的半球空间不同方向阐明了黑体外表向它上面的半球空间不同方向上的辐射能量与法线方向上的辐射能量的关系上的辐射能量与法线方向上的辐射能量的关系内容：内容：cos00nII I0nI0n黑体的微元面积黑体的微元面积dAdA在法线方向上在法线方向上 的辐射强度，的辐射强度，W/(m2sr)W/(m2sr)；给定方向与法线方向的夹角，给定方向与法线方向的夹角，srsr阐明：阐明：兰贝特定律又称余弦定律；兰贝特定律又称余弦定律；当当=0=0时，时，I=0=I0nI=0=I0n，辐

13、射强度最大；，辐射强度最大； 当当=90=90时，时，I=90I=90=0=0； I0I0和和E0E0的关系：的关系：nnIsdIE0202000cossin上式阐明：上式阐明：E0E0为为IonIon的的倍；倍；遵照兰贝特定律的外表称为兰贝特外表，黑体表遵照兰贝特定律的外表称为兰贝特外表，黑体表 面就是一个兰贝特外表；面就是一个兰贝特外表；以上三个定律只适用于黑体。以上三个定律只适用于黑体。1.3 1.3 实践物体的热辐射实践物体的热辐射1.3.1 1.3.1 实践物体与黑体的区别与联络实践物体与黑体的区别与联络1.3.2 1.3.2 克希霍夫克希霍夫KirchhoffKirchhoff定律

14、定律 1.3.3 1.3.3 灰体灰体1.3.1 1.3.1 实践物体与黑体的区别与联络实践物体与黑体的区别与联络实践物体的辐射才干不服从斯蒂芬波尔实践物体的辐射才干不服从斯蒂芬波尔兹曼定律兹曼定律自然界一切物体的辐射才干均小于同温度下自然界一切物体的辐射才干均小于同温度下黑体的辐射才干；黑体的辐射才干；引入相对辐射才干：引入相对辐射才干：=E/ E0=E/ E0，又称黑度，又称黑度，发射率发射率影响要素：影响要素：它与物体温度和外表性质它与物体温度和外表性质外表温度、外表情况等有外表温度、外表情况等有关；关； 恒小于恒小于1 1。 1.3.1 1.3.1 实践物体与黑体的区别与联络实践物体与

15、黑体的区别与联络实践物体的单色辐射才干随温度和波长的实践物体的单色辐射才干随温度和波长的变化不符合普朗克定律变化不符合普朗克定律引入物体的单色黑度引入物体的单色黑度 ：=E/ E0=E/ E0，又称单色发射又称单色发射才干才干 影响要素：影响要素：f fT,T,，物体外表性，物体外表性质；质；恒小于恒小于1 1，黑体单色辐射才，黑体单色辐射才干最大。干最大。1.3.1 1.3.1 实践物体与黑体的区别与联络实践物体与黑体的区别与联络实践物体对投入辐射能的吸收率实践物体对投入辐射能的吸收率11单色吸收率单色吸收率： 在给定波长在给定波长和入射角和和入射角和下，一个实下，一个实践外表吸收的能量与一

16、个黑外表吸收的能量践外表吸收的能量与一个黑外表吸收的能量之比值。之比值。 阐明：阐明：、(0(0，1)1)；实验阐明，实验阐明，、均为物均为物体本身性质；体本身性质；不是物体本身的性质，不是物体本身的性质，f f外表性质、温度、投入辐射的波长及角外表性质、温度、投入辐射的波长及角度。度。1.3.2 1.3.2 克希霍夫克希霍夫KirchhoffKirchhoff定律定律内容：假设一个温度为内容：假设一个温度为T1T1的物体，在一个温度为的物体，在一个温度为T2T2的黑体的黑体包壳内，那么无论包壳内，那么无论T1T1和和T2T2能否相等，该物体外表的单能否相等，该物体外表的单色黑度等于它的单色吸

17、收率色黑度等于它的单色吸收率 ，即：，即：= = 证明：由该物体发射的辐射为：证明：由该物体发射的辐射为： 被该物体吸收的辐射为：被该物体吸收的辐射为： 假定该物体和包壳处于热平衡形状，那么：假定该物体和包壳处于热平衡形状，那么：qe=qqe=q或或 由由T1=T2T1=T2，那么，那么E0,1= E0,2E0,1= E0,2，带入上式有：，带入上式有：=dEq20dEdE2010dEqe101.3.2 1.3.2 克希霍夫克希霍夫KirchhoffKirchhoff定律定律阐明：对于许多物质，人们发现阐明：对于许多物质，人们发现或或与投射辐射的情况无关，即与投射温度与投射辐射的情况无关，即与

18、投射温度T2T2无关。无关。故：无论故：无论T1T1和和T2T2能否相等，均有能否相等，均有=；由由、， 那么：那么：4101 ,00TdEEE4202,0TdE热平衡时：热平衡时：T1=T2T1=T2，故，故=； 对于灰体：对于灰体：=什么是灰体？什么是灰体？1.3.3 1.3.3 灰体灰体灰体定义：假设某种物体的单色辐射才干灰体定义：假设某种物体的单色辐射才干EE与同一温度下绝对黑体的单色辐射才干与同一温度下绝对黑体的单色辐射才干E0E0之比之比等于常数，即在一切波长下，物体的单色黑度等于常数，即在一切波长下，物体的单色黑度等于常数，这种物体叫做灰体等于常数，这种物体叫做灰体灰体也是一种理

19、想物体灰体也是一种理想物体1.3.3 1.3.3 灰体灰体讨论：讨论：灰体是一个物理模型，符合灰体模型的外表叫灰体是一个物理模型，符合灰体模型的外表叫做灰外表，灰外表符合兰贝特做灰外表，灰外表符合兰贝特LambertLambert定律；定律； 由其定义及克希霍夫定律，对灰外表，有：由其定义及克希霍夫定律，对灰外表，有：=常数常数 推导：推导：dEdEdEdEdEdEEE00000001.3.3 1.3.3 灰体灰体普通工业温度范围普通工业温度范围(T(T2000)2000)内，普通固、液内，普通固、液态物体均可以为是灰体气体除外，于是：态物体均可以为是灰体气体除外，于是： 灰体的灰体的-E-E

20、曲线与黑体的曲线与黑体的-E-E曲线类似，二曲线类似，二者在同一温度下的最大单色辐射才干都位于同一者在同一温度下的最大单色辐射才干都位于同一mm处；处；400TEE黑体是灰体的特例黑体是灰体的特例 ：= 1= 1讨论：讨论：1.4 1.4 气体的辐射与吸收气体的辐射与吸收1.4.1 1.4.1 气体辐射与吸收的特点气体辐射与吸收的特点 1.4.2 1.4.2 烟气的黑度烟气的黑度1.4.3 1.4.3 烟气的吸收率烟气的吸收率1.4.1 1.4.1 气体辐射与吸收的特点气体辐射与吸收的特点: :不同气体具有不同的辐射才干不同气体具有不同的辐射才干单原子和分子构造对称的双原子气体，如惰性气体和氢

21、、氮、氧等，不具有吸收热辐射的才干，可看作透明体。 而三原子，多原子气体以及构造不对称的双原子分子，如CO2、H2O、SO2、CO、CH2 ，烃类和醇类等，那么有相当大的辐射才干和吸收才干。1.4.1 1.4.1 气体辐射与吸收的特点气体辐射与吸收的特点: :气体辐射对波长有选择性气体辐射对波长有选择性 气体只在某些特定的波段光带内具有吸收才干。烟气中的CO2和H2O主要光带如下：CO2H2O第一光带2.65-2.80m2.55-2.84m第二光带4.15-4.45m5.6-7.6m第三光带13.0-17.0m12.0-30.0m 这些光带均位于可见光范围之外，所以，即使在高温下CO2和H2O

22、也不能被人眼看见。1.4.1 1.4.1 气体辐射与吸收的特点气体辐射与吸收的特点: :气体的辐射和吸收是在整个容积中进展的气体的辐射和吸收是在整个容积中进展的 气体的辐射和吸收与气体的外形和体积有关。气体的辐射和吸收与气体的外形和体积有关。 气体的辐射和吸收取决于气层厚度、气体的温度气体的辐射和吸收取决于气层厚度、气体的温度和分压。和分压。定义平均辐射长度定义平均辐射长度L=3.5V/A L=3.5V/A ，又称有效气层厚度，又称有效气层厚度 这样：这样：),(),(mmLPTfPLTf1.4.1 1.4.1 气体辐射与吸收的特点气体辐射与吸收的特点: :气体是典型的非灰体物质气体是典型的非灰体物质 只需当气体温度和固体壁温度一样时气体的黑度和吸收率才会相等，假设温度不相等，就不存在这种关系。同样普朗克定律定律和斯蒂芬波尔兹曼定律也不能成立。1.4.2 1.4.2 烟气的黑度：烟气的黑度： CO2CO2和和H2OH2O的黑度：的黑度：ECO2 T3.