辐射传热资料电子教案

1、辐射传热资料热射线热射线 能被物体吸收转变成热能的电磁波波长范围为能被物体吸收转变成热能的电磁波波长范围为0.420m，而其中可见光线的波长范围约为而其中可见光线的波长范围约为0.40.8m ，红外光线的，红外光线的波长范围为波长范围为0.820m。 可见光线和红外光线统称热射线。红外光线的热射线可见光线和红外光线统称热射线。红外光线的热射线对热辐射起决定作用。对热辐射起决定作用。 3 3 黑体、镜体、透过体和灰体黑体、镜体、透过体和灰体 如图如图 4-1所示，假设投射在某一物体上的总辐射能所示，假设投射在某一物体上的总辐射能量为量为Q，则其中有一部分能量，则其中有一部分能量QA被吸收，一部分

2、能量被吸收，一部分能量QR被反射，余下的能量被反射，余下的能量QD透过物体。物体上的总辐射透过物体。物体上的总辐射能应为吸收、反射与透过能量之和，即：能应为吸收、反射与透过能量之和，即：图图4-1 辐射能的吸收、反射和透过辐射能的吸收、反射和透过11ARDARDQQQQQQQQQQARDQQRQAQD 黑体黑体 能全部吸收辐射能，即吸收率能全部吸收辐射能，即吸收率A=1的物体，称的物体，称为黑体或绝对黑体。为黑体或绝对黑体。 镜体镜体 能全部反射辐射能，即反射率能全部反射辐射能，即反射率R=1的物体，的物体，称为镜体或绝对白体。称为镜体或绝对白体。 透热体透热体 能透过全部辐射能，即透过率能透

3、过全部辐射能，即透过率D=1的物体，的物体，称为透热体。称为透热体。 一般单原子气体和对称的双原子气体均可视为透热一般单原子气体和对称的双原子气体均可视为透热体。（体。（温室气体？温室气体？） 一般来说，固体和液体都是不透热体，即一般来说，固体和液体都是不透热体，即D0，故故AR=1；气体反射率；气体反射率R=0，A+D=1。 灰体灰体 以相同的吸收率以相同的吸收率部分地吸收部分地吸收由零到所有由零到所有波长范围的辐射能的物体定义为灰体。灰体也是理想波长范围的辐射能的物体定义为灰体。灰体也是理想物体。物体。 灰体的特点：灰体的特点： （1）灰体的吸收率）灰体的吸收率A不随辐射线的波长而变。不随

4、辐射线的波长而变。 （2）灰体是不透热体，即）灰体是不透热体，即AR1。 大多数的工程材料都可视为灰体，大多数的工程材料都可视为灰体， 可简化辐射传可简化辐射传热的计算热的计算 。 辐射能力：物体在一定的温度下，单位表面积、单辐射能力：物体在一定的温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部波长的总能量，用位时间内所发射的全部波长的总能量，用E表示，其单位表示，其单位为为W/ m2。 在相同的条件下，物体发射特定波长的能力，称为在相同的条件下，物体发射特定波长的能力，称为单色辐射能力，用单色辐射能力，用E表示。表示。 若在若在至至（ ）的波长范围内的辐射能力为的波长范围内的辐射能力为E，则则 辐

5、射能按波长分布的定律辐射能按波长分布的定律普朗克定律普朗克定律 根据量子理论推导出黑体的单色辐射能力根据量子理论推导出黑体的单色辐射能力Eb随波随波长和温度变化的函数关系长和温度变化的函数关系 称为普郎克定律，揭示黑体的辐射能力按照波称为普郎克定律，揭示黑体的辐射能力按照波长的分配规律。长的分配规律。KmcmWcecETcb222161/51104387. 11043.7312常数，其值为常数，其值为 讨论：讨论：1.在一定在一定T下，下，E b变化关系有极值存在变化关系有极值存在, 令令 则则 这称这称“维恩维恩”定律定律，说明辐射强度的最高值随，说明辐射强度的最高值随T增高而增高而向向降低

6、方向移动。降低方向移动。 2.在一般技术范围内在一般技术范围内(T 1400K)辐射能主要分布在辐射能主要分布在0.810m的红外光波段内，分布在可见光波段的红外光波段内，分布在可见光波段0.40.8m的能量很小。在很高的的能量很小。在很高的T下，能量主要分布在短波区。下，能量主要分布在短波区。 3.普朗克定律是黑体辐射定律，实际物体的单色辐射普朗克定律是黑体辐射定律，实际物体的单色辐射力与力与及及T的关系只能用实验测定。的关系只能用实验测定。0/bEKmmT97.82 黑体辐射能力按波长的分布规律曲线如图黑体辐射能力按波长的分布规律曲线如图4-35所示。所示。2 2 四次方定律四次方定律斯蒂

7、芬斯蒂芬波尔茨曼定律波尔茨曼定律 黑体在某一温度下的辐射能力，即每一等温线下到黑体在某一温度下的辐射能力，即每一等温线下到横轴间的面积，即横轴间的面积，即 积分得积分得0/5112decETcb 不同的物体辐射系数不同的物体辐射系数C值不相同，其值与物体的性质、值不相同，其值与物体的性质、表面状况和温度等有关。表面状况和温度等有关。C值恒小于值恒小于 C0，在，在 0 5.67范围范围内变化。内变化。 上式即为斯蒂芬上式即为斯蒂芬-波尔茨曼定律，通常称为波尔茨曼定律，通常称为四次方定律四次方定律。斯蒂芬斯蒂芬-波尔茨曼定律揭示黑体的辐射能力与其表面温度的波尔茨曼定律揭示黑体的辐射能力与其表面温

8、度的关系，关系，表明黑体的辐射能力仅与热力学温度的四次方成正比表明黑体的辐射能力仅与热力学温度的四次方成正比。 四次方定律也可推广到灰体，可表示为四次方定律也可推广到灰体，可表示为物体的黑度物体的黑度 通常将灰体的辐射能力与同温度下黑通常将灰体的辐射能力与同温度下黑体辐射能力之比定义为物体的黑度（又称发射率）用体辐射能力之比定义为物体的黑度（又称发射率）用表示，即表示，即由物体的黑度可求得该物体的辐射能力。由物体的黑度可求得该物体的辐射能力。3 3 克希霍夫克希霍夫 定律定律 克希霍夫定律揭示了物体的克希霍夫定律揭示了物体的辐射能辐射能力力E与吸收率与吸收率A之间的关系。之间的关系。 二块相距

9、很近的平行平板的辐射传二块相距很近的平行平板的辐射传热，热， 如图如图4-36所示。所示。 对板对板1来说，辐射传热的结果为来说，辐射传热的结果为灰体黑体T1T2T1T2 当两板达到热平衡，即当两板达到热平衡，即 T1=T2时，时，q=0 上式为克希霍夫定律的数学表达式。该式表明上式为克希霍夫定律的数学表达式。该式表明任何物体的辐射能力和吸收率的比值恒等于同温度任何物体的辐射能力和吸收率的比值恒等于同温度下黑体的辐射能力，也仅与物体的绝对温度有关。下黑体的辐射能力，也仅与物体的绝对温度有关。因板因板1可以用任何板来代替，可以用任何板来代替， 上式可写为上式可写为 在同一温度下，物体的吸收率和黑

10、度在数值上在同一温度下，物体的吸收率和黑度在数值上是相同的是相同的。但是。但是 两者的物理意义则完全不同。前者两者的物理意义则完全不同。前者为吸收率，表示由其它物体发射来的辐射能可被该物为吸收率，表示由其它物体发射来的辐射能可被该物体吸收的分数；后者为发射率，表示物体的辐射能力体吸收的分数；后者为发射率，表示物体的辐射能力占黑体辐射能力的分数。占黑体辐射能力的分数。 得得nbnnEEA 两个面积很大（相对于两者距两个面积很大（相对于两者距离而言）且相互平行的灰体平板间离而言）且相互平行的灰体平板间相互辐射如图相互辐射如图4-37所示。所示。 两平行平板间单位时间内、单两平行平板间单位时间内、单

11、位表面积上净的辐射传热量为两板位表面积上净的辐射传热量为两板间辐射的总能量之差，即间辐射的总能量之差，即代入得代入得以以 若平行的平板面积均为若平行的平板面积均为S时，则辐射传热速率为时，则辐射传热速率为 实际应用中需引入几何因素（角系数）修正辐实际应用中需引入几何因素（角系数）修正辐射传热速率：射传热速率： 注意：注意： 1. 辐射公式可用于任何形辐射公式可用于任何形状的表面之间的相互辐射，但状的表面之间的相互辐射，但对一物体被另一物体包围下的对一物体被另一物体包围下的辐射，则要求被包围物体的表辐射，则要求被包围物体的表面应为平表面或凸表面，如图面应为平表面或凸表面，如图4-38中所示。中所

12、示。 2.角系数表示从辐射面积角系数表示从辐射面积S所发射出的能量为另一物体表所发射出的能量为另一物体表面所获截的分数，面所获截的分数， 必须和选定必须和选定的辐射面积的辐射面积S相对应相对应 。 已知铸铁的黑度为已知铸铁的黑度为0.78，铝的黑度为，铝的黑度为0.11【例】车间内有一高和宽各为3m的铸铁炉门（黑度为0.78），其表面温度为227，室内温度为27。（为了减少热损失，在炉门前50mm处放置一块尺寸和炉门相同而黑度为0.11的铝板作为热屏，试求放置铝板前、后因辐射而损失的热量。解：解：（1 1）放置铝板前的热辐射损失放置铝板前的热辐射损失本题属于很大物体本题属于很大物体2 2包住物

13、体包住物体1 1的情况，因此，的情况，因此，S=33=9m2 ， =1 C1-2=C01=5.670.78=4.423W/（m2.K4）因此，因此，Q1-2=4.42319 (227+273)/1004-(27+273)/1004(2)(2)放置铝板后因辐射损失的热量放置铝板后因辐射损失的热量 以下标以下标1，2，i分别表示炉门、房间和铝板，假设平分别表示炉门、房间和铝板，假设平衡状态下铝板的温度为衡状态下铝板的温度为TiK，则铝板向房间辐射的热量为则铝板向房间辐射的热量为Qi-2=Ci-2S(Ti/100)4- (T2/100)4 式中，式中，S=9m2，=1 Ci-2=C0i=5.670.

14、11=0.624 W/（m2.K4） 故故 Qi-2=0.6249 (Ti/100)4-81 炉门对铝板的辐射传热视为两个无限大平板之间的炉门对铝板的辐射传热视为两个无限大平板之间的传热，放置铝板后炉门的热损失为：传热，放置铝板后炉门的热损失为： Q1-i=C1-iS(T1/100)4- (Ti/100)4 式中，式中，S=9m2，=1 C1-i=C0/(1/1+1/i-1) =0.605W/（m2.K4） 所以，所以，Q1-i=0.6059 625-(Ti/100)4 当传热达到稳定时，当传热达到稳定时，Q1-i=Qi-2 解得解得 Ti=432K 故故 Q1-i=0.6059 625-(T

15、i/100)4=1510W 放置铝板后，放置铝板后， 热损失减少热损失减少(Q1-2-Q1-i)/Q1-2=93% 设置隔热挡板是减少热辐射损失的主要手段之一。设置隔热挡板是减少热辐射损失的主要手段之一。 在计算某些温度较高的工业管道和设备的热损在计算某些温度较高的工业管道和设备的热损失问题中，需要考虑对流与辐射的联合作用。尽管失问题中，需要考虑对流与辐射的联合作用。尽管二者遵循不同的规律，但在二者共存的场合，常常二者遵循不同的规律，但在二者共存的场合，常常将后者也用统一的牛顿冷却定律表示。将后者也用统一的牛顿冷却定律表示。设备的热损失计算基础：设备的热损失计算基础：辐射传热速率方程辐射传热速率方程对流传热速率方程对流传热速率方程 有保温层的设备外壁与周围环境的联合传热系数有保温层的设备外壁与周围环境的联合传热系数 ，可用下列各式进行估算：可用下列各式进行估算：1.空气自然对流时空气自然对流时 在