热辐射原理及计算实用教案

1、1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 热辐射机理(j l)的定性描述：物体受热后其中(qzhng)某些原子or 分子“激发态”，从激发态 低能态能量就以电磁波辐射的形式发射出来。 热射线(shxin)可见光线(波长：0.40.8mT，热效应明显) 红外光线(波长：0.820 m多数具有实际意义热辐射波长决定作用) 自发物体因热的原因，对外以电磁波形式向外发出辐射能吸收热能。 (1) (1) 热辐射 (T，热辐射) 第1页/共30页第一页，共30页。(2)(2)热辐射对物体热辐射对物体(wt)(wt)的作用的作用AA、R R、D D 被吸收(xshu)QA；被反射QR；穿透物体QD。 热射线(s

2、hxin)的特点：在均质介质中直线传播；在真空、多数气体中完全透过；在工业上常见的多数固体or液体中不能透过。与可见光一样，服从反射与折射定律。当热辐射的能量投射在某一物体上时，其总能量Q：第2页/共30页第二页，共30页。DRAQQQQ1QQQQQQDRA1DRAQQDQQRQQADRA/理想物体，作为实际物体一种比较标准简化辐射传热(chun r)计算。 黑体(hit)、镜体、透过体、灰体第3页/共30页第三页，共30页。黑体(绝对黑体)：A=1，R=D=0辐射与吸收能力max， 在热辐射的分析与计算中具有特殊重要性。镜体(绝对白体(bit)：R=1，A=D=0； 能全部反射辐射能，且入射

3、角等于反射角(正常反射)。透过体(绝对透过体)：D=1，A=R=0；能透过全部辐射能的物体。 实际上：对 无光泽的黑体(hit)表面，A=0.960.98接近黑体(hit)；磨光的铜表面(biomin)，R=0.97近似镜体；单原子or对称双原子气体，D视为透过体。 第4页/共30页第四页，共30页。物体的性质；表面(biomin)状况；温度；投射辐射线的波长。物体(wt)的A、R、D其大小取决于：灰体能以相同吸收率吸收所有(suyu)波长范围辐射能的物体；A与辐射线波长无关，即物体对投入辐射的吸收率与外界无关；不透过体，A+R=1 工业上常见固体材料(0.420 m)。特点：(3) 辐射传热

4、 物体之间相互辐射与吸收辐射能的传热过程。第5页/共30页第五页，共30页。物体在一定(ydng)温度下，单位时间、单位表面积所发出全部波长的总能量。 E（J/m2s，即W/m2） ddEEE0limdEE02 固体的辐射(fsh)能力表征固体表征固体(gt)发射辐射能的本领发射辐射能的本领单色辐射能力：在一定温度下，物体发射某种波长的能力，记作：E(W/m3)定义：(1) Planck law黑体的黑体的单色辐射能力单色辐射能力E Ebb随波长随波长、温度、温度T T的变化规律的变化规律第6页/共30页第六页，共30页。 对应于每一温度(wnd)T均为一条能量分布曲线；0,; 0, 0max

5、,bbbbbEEEEE),(1/512TfeCETCb式中： Eb黑体的单色辐射能力(nngl)，W/m2； T 黑体的绝对温度，K； C1 常数，其值为3.74310-16，Wm2； C2 常数，其值为1.438710-2，mK。EbT3T2T1123TTT从图中可见(kjin)：紫外灾难第7页/共30页第七页，共30页。 T ，Eb，max移向波长(bchng)较短的方向 等温线下的面积黑体(hit)的辐射能力Eb另外(ln wi)：32.910mT由于地表温度和太阳表面温度的差异，使得二者辐射波长不同，又由于大气层中的CO2吸收地球辐射波，导致温室效应。第8页/共30页第八页，共30页。

6、(2) Stefan-Boltzmann law(四次方定律四次方定律(dngl) )(105102TfdeCdEETCbb42042804040/67.5/1067.5100KmWCKmWTCTEb4TEb黑体的辐射(fsh)系数由四次方定律(dngl)：Eb对T敏感，T，热辐射起主导作用。黑体黑体辐射能力辐射能力Eb与与T 间的关系间的关系第9页/共30页第九页，共30页。(3) 灰体的辐射(fsh)能力E 4100TCE40100TCEEb：是物体(wt)本身的特性物体的性质；温度；表面(biomin)状况(表面(biomin)粗糙度、氧化程度)。由实验测定将Stefan-Boltama

7、nn law用于灰体：物体的黑度 为 同温度下灰体与黑体的辐射能力之比，即=E/Eb C：灰体辐射系数；定义定义：第10页/共30页第十页，共30页。灰体辐射能力(nngl)与吸收能力(nngl)间(EA)的关系任何灰体的辐射能力与吸收率之比恒等于同一(tngy)温度下绝对黑体的辐射能力。TfEAEAEb2211数学(shxu)表达式：A(4) Kirchhoff law即：或：同一灰体吸收率与其黑度在数值上必相等。 AE第11页/共30页第十一页，共30页。两无限大的平行平壁两壁面间距离壁面尺寸；其中(qzhng)一壁面1灰体T1、E1、A1T2，两壁面间为透热体(D=1)，系统对外绝热。对

8、壁面1，辐射传热(chun r)的结果即两壁面辐射传热(chun r)的热通量q为：EbE1A1EbbEAEq11当两壁面达到(d do)热平衡时，T1=T2 q=0 E1=A1Eb E1/A1=Eb推广到任意灰体，有：TfEAEAEb2211A1，EEb 且 A= Kirchhoff law推导过程：Kirchhoff law推导的假设条件：第12页/共30页第十二页，共30页。3 物体间的辐射(fsh)传热 讨论两灰体间的辐射(fsh)传热(1) 两灰体间辐射两灰体间辐射(fsh)传热过程的复杂性传热过程的复杂性(与灰体与灰体黑体间辐射黑体间辐射(fsh)传热对比传热对比)(2) 因灰体因

9、灰体AA1，则：0121CC 两大平行(pngxng)板1110 .12102121CC若为有限(yuxin)面积A1平行面：02121210.1CC第18页/共30页第十八页，共30页。 物体(wt)2恰好包住物体(wt)1(A2A1)：1110.12102121CC4 影响辐射(fsh)传热的主要因素辐射传热量正比于温度的四次方之差辐射传热量正比于温度的四次方之差 同样同样T，在高温时辐射传，在高温时辐射传热量热量；如：如：T1=720K，T2=700K与与T1=120K，T2=100K两者温差相同两者温差相同(xin tn)，但在其它条件相同，但在其它条件相同(xin tn)时，热流量相

10、差时，热流量相差240多倍多倍 高温传热时，热辐射占主要地位；高温传热时，热辐射占主要地位；(1)温度第19页/共30页第十九页，共30页。为削弱物体表面(biomin)间辐射传热，常在换热表面(biomin)间插入薄板 遮热板阻挡辐射传热。两辐射表面的形状与大小、方位(fngwi)与距离 一表面对另一表面的投射角；(2) 几何(j h)位置(3) 表面黑度通过改变表面黑度的方法强化or削弱辐射传热。(4) 辐射表面间介质的影响第20页/共30页第二十页，共30页。例：计算遮热板的作用。 某车间内有一高度为0.7m，宽1m的铸铁炉门(已氧化)，表面温度450，室 温为27。为减少(jinsho

11、)炉门的辐射散热，在距炉门35mm处放置一块与炉门大小 相同的铝制遮热板(已氧化)，试计算放置遮热板前、后炉门因辐射而散失的 热量。(铸铁1=0.75， 铝3=0.15)解：放遮热板前，炉门为四周(szhu)所包围，则有：KTKTAACC300,723,0.1211012121WTTACQ7893100100424110121第21页/共30页第二十一页，共30页。放遮热板后，因炉门与遮热板间距离(jl)小两者之间辐射传热视为两无限大平壁间的相互辐射，则有：1/1/1,0.13103131CC设铝板温度(wnd)T3，则有：43411310311001001/1/1TTACQ遮热板与四周(sz

12、hu)的散热量Q3-2为：424330323100100TTACQ第22页/共30页第二十二页，共30页。稳态传热(chun r)，Q1-3=Q3-2T3=609KQ1-3 =770W放置铝板后炉门(l mn)的辐射热损失减少的百分率为：%2.9078937707893213121QQQ设置遮热板是减少辐射散热有效方法(fngf)，且遮热板，遮热板数，热损失。第23页/共30页第二十三页，共30页。例：热电偶的测温误差。 裸露热电偶测得管道内高温气体T1=923K。 已知：管壁TW=440，热电偶表面1=0.3，高温气体对热电偶表面1=50W/m2， 试求：管内(un ni)气体真实温度Tg及

13、热电偶测温误差； 若采用单层遮热罩(2=0.3)抽气式热电偶， 2=90W/m2(抽气)， 试求：热电偶的指示温度T1。TWTgT2T1解： 裸露热电偶稳态传热： 热电偶与管壁辐射(fsh)散热=气体对热电偶表面对流传热KTTCTTTTCTTqCCAAWgWg10821001001001000 .1,04411011441011121012121绝对误差159K；相对误差14.7%第24页/共30页第二十四页，共30页。 气体对遮热罩表面对流传热速率(sl)=遮热罩与管壁辐射散热速率(sl) 气体对热电偶表面对流传热速率(sl)=遮热罩与热电偶辐射散热速率(sl)KTTTCTTKTTTCTTg

14、Wg10451001001009100100214241011224420222绝对误差(ju du w ch)37K；相对误差3.4% 采用遮热罩抽气式热电偶使测温精度。 加遮热罩，稳态传热(chun r)条件下：第25页/共30页第二十五页，共30页。5 对流与辐射的联合传热对流与辐射的联合传热 管道、设备管道、设备(shbi)热损失的计算热损失的计算当管道or设备外壁温度TW T环境 Q损失= Q对流(duli) + Q辐射(1) 对流传(lichun)热热损失QCTTAQWWCC(2) 辐射传热热损失QRTTATTACQWWRWWR442121100100TTTTCWWR4421211

15、001000 . 1第26页/共30页第二十六页，共30页。(4) T的估算 (有保温层设备(shbi)、管道外热损失)1) 空气u5m/suT2 . 42 . 62) 空气u5m/s78. 08 . 7 uT 空气沿粗糙壁面强制对流 空气自然对流(TW150)1) 平壁保温层外：TTWT07. 08 . 92) 管道或圆筒壁保温层外：TTWT052. 04 . 9(3) 设备(shbi)总损失QTTAQQQWWRCRCTTAQWWTT：对流辐射联合(linh)表面传热系数第27页/共30页第二十七页，共30页。例：在2198mm的蒸汽管道外包一层厚为75mm，导热系数为 0.1W/mK的保温材料，管内饱和(boh)蒸汽温度为160，周围环境 温度为20 ，试估算管道保温层外表面的温度及单位长度管 道的热损失。(假设管内冷凝传热与管壁热传导热阻不计) 解：依题意，单位管长的热损失可表示为：219. 0075. 0219. 0ln1 . 014. 321160ln210WWWtddtTLQttttttdLQWTWWWT052.04.9208914.10200625.020联立求解得：tW=33 mWLQ/9 .152外径 219b=75tWt环=20热传导对流辐射TW第28页/共30页第二十八页，共30页。本 节 小 结4