传热学教学课件：heat transfer(phase change-radiation)3.1

第十七讲5.热辐射(thermalradiation)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

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

辐射速度与波长光速3.0×108m.s-1波长频率10-510-410-310-210-1110102103104rayXrayultravioletthermalradiationinfraredmicrowavevisible可见光热辐射

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）。

表面辐射的两个基本特性DirectionaldistributionWavelengthEmissionblackbody5.2.黑体辐射（blackbodyradiation)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（diffuseemitter,散射体）

辐射与吸收反射吸收透射吸收比反射比透射比黑体：镜体反射漫反射镜体：气体：或很小0.1100110Visible5800K2000K300K5.2.1普朗克定律(Plancklaw)辐射力与波长、温度的关系W.m-3mWien’sdisplacementlaw5.2.2.Stanfan-Boltzman定律黑体辐射常数见表8-1（p360）黑体的总辐射力与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黑体辐射函数（的函数）对于整个波长段的辐射5.2.3.Lambert定律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定向辐射强度W.m-2.sr-1.um-1dA上发出、辐射到dAn上的热流量steradian对于黑体，与纬度、经度无关定向辐射常数LambertlawDiffuseemission黑体辐射力是定向辐射常数的倍5.3.表面辐射(surfaceradiation)对于实际物体，定向辐射能力与方向有关Directionaldistributionblackbody发射率或黑度对于整个物体的单波长辐射黑度Diffuse漫射体实际物体但与方向无关几种常见材料的法向发射率温度（°C)材料光泽铬1500.058CrNi合金52-10340.64-0.76光泽银200-6000.02-0.03耐火砖500-10000.8-0.9木材200.80-0.082雪00.8水0-1000.96玻璃38-850.94

如图所示，Ab、A1、A2为很微小表面（面积均为10-3m2),其中Ab为黑体表面，垂直方向辐射强度I=7000W.m-2.sr-1求辐射到表面A1及A2的热流量例题1AbA1A260°45°30°0.5m0.5mI=7000W.m-2.sr-1例题200.80.425

某一温度为1600K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作业：8-20(数据补充：波长范围1-）5.4.基尔霍夫定律(Kirchhoff’slaw)与灰体（graybody)光谱吸收比（spectralabsorptivity)吸收某波长辐射能的比率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灰体（理想物体）：发射率及吸收比与波长无关10灰体段工程上很多问题可以用灰体来处理同理：根据基尔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。coalbrickTc=2000KTb=500K0.50.81.5100.15.5.气体辐射（gasradiation)p419-4285.5.1.气体的定波长辐射特性0.1110100H2OO3ultravioletinfraredCO2辐射波长也在红外区域SunEsun极性分子吸收波长范围与辐射波长范围对应O3,H2O,CO25.5.2.气体的容积辐射特性平均射程bdsquarecubeP424,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sP=1atm,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dxx对于气体反射率吸收率与气体层厚度有关5.5.4.黑体箱内气体的辐射传热TwTg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其中，仍用教材中图31-34查出，分别代替Tg和用Tw但需用Tw和和分别代替Tg和不是灰体，发射率与吸收率一般不等水蒸气与二氧化碳混合情况的发射率见p426根据pH2O/(pH2O+pCO2)修正混合气体的吸收率例题9-8(p427)

在直径为1m,长2m的圆形烟道中，壁温为527℃，烟气温度为1027℃，压力为105Mpa,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5.6.环境辐射（environmentalradiation)5.6.1.太阳辐射(solarradiation)太阳辐射造就地球上的宝贵能源

化学能（chemicalenergy)

煤炭（coal)、石油(petroleum)、天然气（naturalgas)、生物质(biomass)等）太阳能（solarenergy)

水力能（hydropower)

风能（windpower)太阳辐射的波长范围

对应辐射能最大的波长太阳温度（以黑体计算）太阳辐射能量（以黑体计算）太阳直径（W）辐射到地球外层的能量1.76×1017W地球分享的能量比P3805.6.2.地球辐射0.1110100H2OO3ultravioletinfraredSunEarthEsunEsunscale×10-6T=290K地球的温度：吸收能量与发射能量的平衡如何？？5.6.3.温室效应greenhouse0.312345透射比（%）50100大气中CO2

浓度的影响辐射波长在红外区域波长（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0.150.180.650.940.750.12-0.160.900.29黑漆0.97(300K)0.040.030.750.210.930.90-0.950.970.900.85

某一平板接受到太阳的照射的热流密度为700W.m-2,环境温度为25°C,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10W.m-2.K-1式，情况又如何？第十九讲5.7.固体表面间的辐射传热5.7.1.角系数（viewfactor)rX12=12dA1dA2从ｄＡ１到ｄＡ２的辐射能ｄＡ１的总辐射能２－〉１两个黑体表面间的净传热量当两个黑体的温度相等时5.7.2角系数的几个基本性质归一性(summation)相互对应性（reciprocity)X12X13X14X11叠加性(superposition)对于两个比较大的表面5.7.3角系数的计算方法直接积分法不同形状表面间的角系数Ｐ４０１例如图所示，平面Ai与直径为D的圆形面Aj相距为L，且Ai<<Aj，求Ai至Aj的角系数。因为rR代数分析法A1A2A3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。根据角系数的基本性质可得一下6个方程式几种几何形状的角系数见P401-402例题一个加热炉，直径75mm,长150mm,内部空间热量只通过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=75mmL=150mmT2=1650℃T1=1350℃q5.7.2.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,T1A2,T2空间热阻网络计算法GJTAG为到达固体表面辐射力；J为固体表面辐射力净热流量看成空间热阻J1J2Eb1J1J2Eb2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,T1A2,T2Eb1J1J2Eb2Infiniteparallelplanes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Eb1J1J2Eb2因为T1T2InfiniteconcentriccylindersConcentricsphares以上几个公式的通式第讲4.换热器（heatexchanger)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（doublepipe)管壳式(shellandtube)交叉流(crossflow)板式（plate)螺旋板(spiralplate)Shell-tubeheatexchanger4.2.简单顺逆流换热器平均温差计算Parallel-flowheatexchangerCounterflow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、管侧多程逆流时的对数平均温差titoTiT0管壳0.212.0011壳测两程、交叉式的计算方法见p479-4804.4.传热系数的计算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Af4.5.换热器的传热单元数法（thenumberoftransferunits,NTU)换热器可能达到的最大热流量换热器效能（Effectiveness)看顺流情况由效能是P488-489ExampleHotexhaustgases,whichenterafinnedtube,crossflowexchangerat300℃andleaveat100℃,areusedtoheatpressurizedwaterataflowrateof1kg/sfrom35to125℃.Theexhaustgasspecificheatisapproximately1000J/(kg.K),andtheoverallheat