《化工传热与控制技术》课件-项目1固体辐射

CaloriesChemicalIndustry5.1

固体的辐射能力化工传热与控制技术5.1固体的辐射能力1）辐射传热的定义物体通过电磁波传递能量的方式。辐射物体由于热的原因而发出辐射能的过程热辐射热力学温度在零度以上的任何物体，总是不停地向四周发出辐射能；同时也不断地吸收周围物体投射的热辐射。辐射和吸收两过程的综合结果，造成不同物体间能量的传递，称为辐射传热。辐射传热热辐射在真空中能传递能量，这是辐射传热与热对流和热传导的主要不同点。主要不同点5.1固体的辐射能力1）辐射传热的定义热辐射的能力与温度有关，随着温度的升高，热辐射的作用将变得越加重要；高温时，热辐射将起决定作用。理论上，热辐射的电磁波波长可包括整个波谱，但工程中有实际意义的辐射线为可见光和红外线两部分，即波长介于0.38～40μm之间。而且大部分能量位于红外线区段，即介于0.76～20μm之间。总能量反射吸收穿透辐射总能量=反射能量+吸收能量+穿透能量热辐射的能量投射到物体表面时，有一部分能量被物体吸收，一部分被反射，其余部分能量穿过物体，因此：或设5.1固体的辐射能力2）热辐射对物体的作用物体对投射辐射的吸收率反射率穿透率则有5.1固体的辐射能力2）热辐射对物体的作用表示落在物体表面上的辐射能全部被物体吸收，这种物体称为绝对黑体。黑体具有最大的吸收能力。若A＝1时表示落在物体表面上的辐射能全部被反射出去。此时，若入射角等于反射角，则物体称为镜体；若反射情况为漫反射，该物体称为绝对白体。若R=1时表示落在物体上的辐射能将全部穿透过去，这类物体称为透热体。单原子和对称的双原子气体可视为透热体。若D＝1时物体的吸收率、反射率和穿透率的大小取决于物体的性质、表面状况、温度和辐射线的波长。5.1固体的辐射能力（1）物体的性质—物态，物质结构辐射能进入其表面后，在极短的距离内被吸收完。一般固体和液体都不是透热体，即D＝0，A

+R

=1。吸收能力大的物体其反射能力就小。固体和液体对辐射能几乎没有反射能力，可以认为R

=0，A

+D

=1。吸收能力大的气体，其穿透能力就差。气体5.1固体的辐射能力（2）表面状况对外界的辐射，以及对辐射的吸收和反射过程，都是在物体表面上进行的。固体和液体物体的表面状况对吸收率、反射率和穿透率的影响至关重要。固体和液体发射和吸收辐射能发生在整体气体内部，即吸收和辐射与热射线所经历的路程有关。气体5.1固体的辐射能力（3）辐射线的波长实际物体对投入辐射的吸收率不仅和物体本身的情况有关，而且还与辐射物体投入的辐射波长有关。大多数工程材料能以相同的吸收率吸收所有波长的辐射能。灰体灰体对辐射能的吸收率与外界无关。对于波长在0.38～20μm范围的辐射能，大多数工程材料可视为灰体。5.1固体的辐射能力3）物体的辐射能力是指物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部波长的总能量E。

辐射能力辐射能力是表征物体发射辐射能的能力。从图可知，物体辐射能量与波长有关。5.1固体的辐射能力3）物体的辐射能力物体的单色辐射能力Eλ，是指物体在一定温度下发射某种波长的能力,单位为W/m3物体的辐射能力:W/m2

其中黑体单色辐射能力按波长的分布规律如图所示5.1固体的辐射能力3）物体的辐射能力(1)

黑体的辐射能力黑体的辐射能力黑体的单色辐射能力5.1固体的辐射能力(1)

黑体的辐射能力黑体的辐射能力根据斯蒂芬—波尔茨曼定律表示成下面的表达式。黑体的辐射常数，其值为5.67×10－8W/(m2·K4)说明黑体的辐射能力与其表面温度的四次方成正比。由于热辐射对温度非常敏感，低温时热辐射可以忽略，高温时则起主要作用。工程上黑体的辐射系数，其值为5.67W/(m2·K4)5.1固体的辐射能力(2)

灰体的辐射能力灰体的辐射系数因此，只要知道物体的黑度，就可求得该物体的辐射能力。

由于黑体具有最大的辐射能力，因此5.1固体的辐射能力(2)

灰体的辐射能力黑度表征了物体发射热辐射能力的强弱，是物体自身属性与温度共同作用的物理量，是物体本身的特性，一般可通过实验确定。材料温度/oC黑度红砖耐火砖钢板（氧化的）钢板（磨光的）铅（氧化的）铅（磨光的）铜（氧化的）铜（磨光的）铸铁（氧化的）铸铁（磨光的）20－200～600940～1100200～600225～575200～600－200～600330～9100.88～0.930.8～0.90.80.55～0.610.11～0.190.039～0.0570.57～0.870.030.64～0.780.6～0.7荒漠、旱地和绝大部分的林地的黑度近似为0.90；水、海滩、冰川的黑度约为0.95；人体无论是什么肤色黑度均为0.96左右。物体的辐射能力与吸收能力之间具有密切的关系。假设两个无限大的平行壁面，其中壁面1为灰体，壁面2为黑体。5.1固体的辐射能力4）物体的辐射能力与吸收能力的关系灰体黑体透热体(＝1)

对壁面1，热量的收支差额为两壁面间辐射传热的热通量，W/m2当两个壁面处于热平衡状态时灰体黑体透热体因此，对任意灰体，有5.1固体的辐射能力4）物体的辐射能力与吸收能力的关系(＝1)

克希霍夫定律任何物体的辐射能力与其吸收率的比值相等；且等于同温度下黑体的辐射能力。说明，善于吸收的物体必善于辐射。灰体的吸收率，在数值等于同温度下该物体的黑度。CaloriesChemicalIndustry5.2

物体间的辐射传热化工传热与控制技术工业生产常见的辐射传热，是两固体间的相互辐射，即辐射能多次被吸收和多次被反射，结果是热能从高温的物体传递给低温物体。5.2物体间的辐射传热1）两无限大平行灰体壁面间的辐射传热发出辐射能的过程壁1壁2单位时间内离开壁面1表面单位面积的总辐射能：(公式1)单位时间内离开壁面2表面单位面积的总辐射能：(公式2)单位时间内两壁面单位面积的辐射传热量为5.2物体间的辐射传热壁1壁2(公式3)假设壁面面积为A，则辐射传热速率为(公式4)物体1对物体2的总辐射系数对于任意形状的两个物体间辐射传热速率(公式5)5.2物体间的辐射传热两个壁面间的相对位置不同时，一个表面发出而落到另一个表面上的辐射能的百分数随之变化，从而影响到传热量。即物体间的辐射传热受物体的形状、大小和相互位置等的影响。物体1对物体2辐射的角系数，它与物体的形状、大小及两物体的相互位置和距离有关定义：表面1发出的辐射能中落到表面2上的百分数称为表面1对表面2的角系数。5.2物体间的辐射传热几种典型情况下的C1-2和φ1-2值A1A25.2物体间的辐射传热2）一物体被另一物体所包围时的辐射传热表面1对表面2的角系数φ1-2=1。被包围物体的表面为平面或凸表面时，辐射传热速率为：(公式6)其中，总发射系数为：

(公式7)5.2物体间的辐射传热若包围物体为黑体，或被包围物体的辐射面积A1与包围物体的面积A2相比很小时：

【例题】某车间内有一高0.5m、宽1m的铸铁炉门，表面温度为627℃，室温为27℃。试求：（1）每小时炉门辐射而散失的热量；（2）若在距炉门前30mm外放置一块同等大小的铝板作为热屏，散热量可降低多少？已知铸铁和铝板的黑度分别为0.78和0.15。5.2物体间的辐射传热解：以下标1、2和3分别表示铸铁炉门、周围四壁和铝板。(1)未放置热屏前，炉门被四壁包围，故(公式8)铸铁炉门227℃627℃铝板13＝1，A=A1，5.2物体间的辐射传热(2)放置铝板后，因炉门与铝板之间距离很小，二者之间的辐射传热可视为两个无限大平行面间的相互辐射，且稳态情况下与铝板对周围四壁的辐射传热量相等。铸铁炉门227℃627℃铝板13设铝板的温度为T3＝1＝1因此：＝755K解得：(公式9)5.2物体间的辐射传热炉门前设置热屏铝板后，炉门的辐射散热量为散热量降低（14329-1347）/14329＝90.6%。(公式10)因此，在热源前设置热屏是减少辐射传热量的有效措施。CaloriesChemicalIndustry5.3

气体的热辐射化工传热与控制技术气体也能发射和吸收辐射能，但气体跟固体的辐射相比具有一些自身的特点。5.3

气体的热辐射1）气体辐射的特点单原子和非极性对称结构的气体，在低温时几乎不具有吸收和辐射能力，可视为透热体。CO、CO2、H2O以及各种碳氢化合物的气体具有不对称分子结构，该类气体具有相当大的辐射能力和吸收率。（1）不同气体的辐射能力和吸收能力差别很大气体辐射光谱具有不连续性，决定了气体不能近似地作为灰体处理。（2）气体的辐射和吸收对波长具有选择性CO2的主要光带5.3

气体的热辐射二氧化碳及其他温室气体对于来自太阳的短波相对透明，但是它们往往吸收那些由地球辐射出去的长波。在大气中积累的温室气体就像一个包裹在地球外表面的毯子，搅乱了地球的辐射平衡，导致地球温度升高。5.3

气体的热辐射即吸收和辐射与热射线所经历的路程有关。（3）气体发射和吸收辐射能发生在整个气体体积内部因此，气体表面的辐射应为到达表面的整个容积气体辐射的总和。辐射能被沿途气体分子吸收而减弱气体只能选择性地吸收某些波长的辐射能，因此气体的吸收率不仅与本身状况有关，而且与外来辐射有关。因此，气体的吸收率在数值上不等于黑度。5.3

气体的热辐射2）对流和辐射联合传热当设备的外壁温度Tw

高于周围大气温度T时，热量将通过对流和辐射两种形式，由壁面散失到周围环境中。由于这种情况下壁面对气体的对流传热强度较小，因而不论壁面温度高低，热辐射的作用一般都不能忽视。对流和辐射联合传热时，设备的