热辐射原理及计算知识分享.ppt

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1、热辐射原理及计算(2)(2)热辐射对物体的热辐射对物体的作用作用A、R、D 被吸收被吸收QA；被反射被反射QR；穿透物体穿透物体QD。热射线的特点：热射线的特点：在均质介质中在均质介质中直线传播；直线传播；在在真空真空、多数气体中、多数气体中完全透过；完全透过；在工业上常见的多数固体在工业上常见的多数固体or液体中液体中不能透过。不能透过。与可见光一样，服从反射与折射定律。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，其总能量当热辐射的能量投射在某一物体上时，其总能量Q：理想物体，作为实际物体一种理想物体，作为实际物体一种比较标准比较标准简化辐射传热计算。简化辐射传热计算

2、。黑体、镜体、透过体、灰体黑体、镜体、透过体、灰体黑体黑体(绝对黑体绝对黑体)：A=1，R=D=0辐射与吸收能力辐射与吸收能力max，在热辐射的分析与计算中具有特殊重要性。在热辐射的分析与计算中具有特殊重要性。镜体镜体(绝对白体绝对白体)：R=1，A=D=0；能全部反射辐射能，且入射角等于反射角能全部反射辐射能，且入射角等于反射角(正常反射正常反射)。透过体透过体(绝对透过体绝对透过体)：D=1，A=R=0；能透过全部辐射能的物体。；能透过全部辐射能的物体。实际上：实际上：对对 无光泽的黑体表面，无光泽的黑体表面，A=0.960.98接近黑体；接近黑体；磨光的铜表面，磨光的铜表面，R=0.97

3、近似镜体；近似镜体；单原子单原子or对称双原子气体，对称双原子气体，D视为透过体。视为透过体。物体的性质；物体的性质；表面状况；表面状况；温度；温度；投射辐射线的波长。投射辐射线的波长。物体的物体的A、R、D其大小取决于：其大小取决于：灰体灰体能以能以相同吸收率相同吸收率吸收吸收所有波长所有波长范围辐射能的物体；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；率与外界无关；不透过体，不透过体，A+R=1 工业上常见固体材料工业上常见固体材料(0.420 m)。特点：特点：(3)辐射传热辐射传热 物体之间物体之间相互辐射与吸收辐射

4、能相互辐射与吸收辐射能的传热过程。的传热过程。物体在一定温度下，单位时间、单位表面积所发出物体在一定温度下，单位时间、单位表面积所发出全部波长的总能量。全部波长的总能量。E（J/m2s，即，即W/m2）2 固体的辐射能力表征固体发射辐射能的本领表征固体发射辐射能的本领单色辐射能力单色辐射能力：在一定温度下，物体发射：在一定温度下，物体发射某种波某种波长长的能力，记作：的能力，记作：E(W/m3)定义：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 对应于每一温度对应于每一温度T均为一条能量分布曲线；均为一条能量分

5、布曲线；式中：式中：Eb黑体的单色辐射能力，黑体的单色辐射能力，W/m2；T 黑体的绝对温度，黑体的绝对温度，K；C1 常数，其值为常数，其值为3.74310-16，Wm2；C2 常数，其值为常数，其值为1.438710-2，mK。EbT3T2T1从从图中图中可见：可见：紫外灾难紫外灾难 T，Eb，max移向波长较短的方向移向波长较短的方向 等温线下的面积等温线下的面积黑体的辐射能力黑体的辐射能力Eb另外：另外：由于地表温度和太阳表面温度的差异，使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，导致吸收地球辐射波

6、，导致温室效应温室效应。(2)Stefan-Boltzmann law(四次方定律四次方定律)黑体的辐射系数黑体的辐射系数由四次方定律：由四次方定律：Eb对对T敏感，敏感，T，热辐射起主导作用。，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(3)灰体的辐射能力灰体的辐射能力E ：是物体本身的特性是物体本身的特性物体的性质；物体的性质；温度；温度；表面状况表面状况(表面粗糙度、氧化程度表面粗糙度、氧化程度)。由实验测定由实验测定将将Stefan-Boltamann law用于灰体：用于灰体：物体的黑度物体的黑度 为为 同温度下同温度下灰体与黑体的辐射能力之比，即灰体与黑

7、体的辐射能力之比，即=E/Eb C：灰体辐射系数；：灰体辐射系数；定义定义：灰体灰体辐射能力辐射能力与吸收能力间与吸收能力间(EA)的关系的关系任何灰体的辐射能力与吸收率之比恒等于任何灰体的辐射能力与吸收率之比恒等于同一温同一温度下度下绝对黑体的辐射能力。绝对黑体的辐射能力。数学表达式：数学表达式：(4)Kirchhoff law即：即：或：或：同一灰体吸收率与其黑度在同一灰体吸收率与其黑度在数值数值上必相等。上必相等。AE两无限大的平行平壁两无限大的平行平壁两壁面间距离两壁面间距离壁面尺寸；壁面尺寸；其中一壁面其中一壁面1灰体灰体T1、E1、A1T2，两壁面间为透热体，两壁面间为透热体(D=

8、1)，系统对外绝热。，系统对外绝热。对壁面对壁面1，辐射传热的结果即两壁面辐射传热的热通量，辐射传热的结果即两壁面辐射传热的热通量q为：为：EbE1A1Eb当两壁面达到热平衡时，当两壁面达到热平衡时，T1=T2 q=0 E1=A1Eb E1/A1=Eb推广到任意灰体，有：推广到任意灰体，有：A1，EEb 且且 A=Kirchhoff law推导过程：推导过程：Kirchhoff law推导的推导的假设条件：假设条件：3 物体间的辐射传热 讨论两灰体间的辐射传热(1)两灰体间辐射传热过程的复杂性两灰体间辐射传热过程的复杂性(与灰体与灰体黑体间辐射传热对比黑体间辐射传热对比)(2)因灰体因灰体AA

9、1，则：，则：两大平行板两大平行板若为有限面积若为有限面积A1平行面：平行面：物体物体2恰好包住物体恰好包住物体1(A2A1)：4 影响辐射传热的主要因素辐射传热量正比于辐射传热量正比于温度的四次方之差温度的四次方之差 同样同样T，在高温时辐射，在高温时辐射传热量传热量；如：如：T1=720K，T2=700K与与T1=120K，T2=100K两者温差相同，但两者温差相同，但在其它条件相同时，热流量相差在其它条件相同时，热流量相差240多倍多倍 高温传热时，热辐高温传热时，热辐射占主要地位射占主要地位；(1)温度温度为削弱物体表面间辐射传热，常在换热表面间插入薄板为削弱物体表面间辐射传热，常在换

10、热表面间插入薄板 遮热板遮热板阻挡辐射传热。阻挡辐射传热。两辐射表面的形状与大小、方位与距离两辐射表面的形状与大小、方位与距离 一表面对另一表面的一表面对另一表面的投射角投射角；(2)几何位置几何位置(3)表面黑度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辐射表面间介质的影响例：计算遮热板的作用。例：计算遮热板的作用。某车间内有一高度为某车间内有一高度为0.7m，宽，宽1m的铸铁炉门的铸铁炉门(已氧化已氧化)，表面温度，表面温度450，室室 温为温为27。为减少炉门的辐射散热，在距炉门。为减少炉门的辐射散热，在距炉门35mm处放置一块与炉门大小处放置一块与炉

11、门大小 相同的铝制遮热板相同的铝制遮热板(已氧化已氧化)，试计算放置遮热板前、后炉门因辐射而散失，试计算放置遮热板前、后炉门因辐射而散失的的 热量。热量。(铸铁铸铁1=0.75，铝铝3=0.15)解：解：放遮热板前，炉门为四周所包围，则有放遮热板前，炉门为四周所包围，则有：放遮热板后，因炉门与遮热板间距离小放遮热板后，因炉门与遮热板间距离小两者之间辐两者之间辐射传热视为两无限大平壁间的相互辐射，则有：射传热视为两无限大平壁间的相互辐射，则有：设铝板温度设铝板温度T3，则有：，则有：遮热板与四周的散热量遮热板与四周的散热量Q3-2为：为：稳态传热，稳态传热，Q1-3=Q3-2T3=609KQ1-

12、3=770W放置铝板后炉门的辐射热损失减少的百分率为：放置铝板后炉门的辐射热损失减少的百分率为：设置遮热板设置遮热板是减少辐射散热有效方法，且遮热板是减少辐射散热有效方法，且遮热板，遮热板数遮热板数，热损失，热损失。例：热电偶的测温误差。例：热电偶的测温误差。裸露热电偶裸露热电偶测得管道内高温气体测得管道内高温气体T1=923K。已知：管壁已知：管壁TW=440，热电偶表面，热电偶表面1=0.3，高温气体对热电偶表面高温气体对热电偶表面1=50W/m2，试求：管内气体真实温度试求：管内气体真实温度Tg及热电偶测温误差；及热电偶测温误差；若采用单层遮热罩若采用单层遮热罩(2=0.3)抽气式热电偶

13、，抽气式热电偶，2=90W/m2(抽气抽气)，试求：热电偶的指示温度试求：热电偶的指示温度T1。TWTgT2T1解：解：裸露热电偶裸露热电偶稳态传热：稳态传热：热电偶与管壁辐射散热热电偶与管壁辐射散热=气体对热电偶表面对流传热气体对热电偶表面对流传热绝对误差绝对误差159K；相对误差相对误差14.7%气体对遮热罩表面对流传热速率气体对遮热罩表面对流传热速率=遮热罩与管壁辐射散热速率遮热罩与管壁辐射散热速率 气体对热电偶表面对流传热速率气体对热电偶表面对流传热速率=遮热罩与热电偶辐射遮热罩与热电偶辐射散热速率散热速率绝对误差绝对误差37K；相对误差；相对误差3.4%采用采用遮热遮热罩抽气式热电偶

14、使罩抽气式热电偶使测温精度测温精度。加遮热罩，稳态传热条件下：加遮热罩，稳态传热条件下：5 对流与辐射的联合传热对流与辐射的联合传热 管道、设备热损失的计算管道、设备热损失的计算当管道当管道or设备外壁温度设备外壁温度TW T环境环境 Q损失损失=Q对流对流+Q辐射辐射(1)对流传热热损失对流传热热损失QC(2)辐射传热热损失辐射传热热损失QR(4)T的估算的估算(有保温层设备、管道外热损失有保温层设备、管道外热损失)1)空气空气u5m/s2)空气空气u5m/s 空气沿粗糙壁面强制对流空气沿粗糙壁面强制对流 空气自然对流空气自然对流(TW150)1)平壁保温层外：平壁保温层外：2)管道或圆筒壁

15、保温层外：管道或圆筒壁保温层外：(3)设备总损失设备总损失QT：对流对流辐射联合表面传热系数辐射联合表面传热系数例：在例：在2198mm的蒸汽管道外包一层厚为的蒸汽管道外包一层厚为75mm，导热系数为，导热系数为 0.1W/mK的保温材料，管内饱和蒸汽温度为的保温材料，管内饱和蒸汽温度为160，周围环境，周围环境 温度为温度为20，试估算管道保温层外表面的温度及单位长度管，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。道的热损失。(假设假设管内冷凝传热与管壁热传导热阻管内冷凝传热与管壁热传导热阻不计不计)解：依题意，单位管长的热损失可表示为：解：依题意，单位管长的热损失可表示为：联立求

16、解得：tW=33 外径 219b=75tWt环=20热传导对流辐射TW本 节 小 结 辐射传热的基本概念：辐射传热的基本概念：热辐射、热辐射、A、R、D、黑体、镜体、透过体、灰体、辐射能力等；、黑体、镜体、透过体、灰体、辐射能力等；辐射基本定律：辐射基本定律：Pranck law(Eb),Stefan-Boltamann law(Eb),Kirchhoff law(EA/)两灰体间的辐射传热两灰体间的辐射传热C1-2、1-2由物体黑度、形状、大小、相互位置、距离而定。由物体黑度、形状、大小、相互位置、距离而定。设备的热损失设备的热损失此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢