第5章 辐射传热.ppt

5.5 辐辐 射射 传传 热热5.5.1 辐射换热基本概念辐射换热基本概念5.1.1 热辐射的本质热辐射的本质5.1.2 热辐射的吸收、反射和透过热辐射的吸收、反射和透过5.1.3 物体的辐射能力物体的辐射能力5.5.2 辐射换热基本定律辐射换热基本定律5.2.1 普朗克定律普朗克定律5.2.2 四次方定律四次方定律5.2.3 兰贝特定律兰贝特定律5.2.4 克希荷夫定律克希荷夫定律5.5 5.5 辐射传热辐射传热5.5.3 物体表面间的辐射换热物体表面间的辐射换热5.3.1 两平行黑体表面组成的封闭体系的辐射换热两平行黑体表面组成的封闭体系的辐射换热5.3.2 两平行灰体表面组成的封闭体系的辐射换热两平行灰体表面组成的封闭体系的辐射换热5.3.3 任意放置的两灰体表面组成的封闭体系间的辐射换热任意放置的两灰体表面组成的封闭体系间的辐射换热5.5.4 气体辐射气体辐射5.4.1 气体辐射特点气体辐射特点5.4.2 气体的黑度气体的黑度5.4.3 火焰的辐射火焰的辐射5.5.5 火焰炉炉膛内的热交换火焰炉炉膛内的热交换5.5.6 综合传热综合传热 5.5 5.5 辐射传热辐射传热5.5.1 辐射换热基本概念辐射换热基本概念热辐射的本质热辐射的本质 辐射是以电磁波为载体传递能量的过程辐射是以电磁波为载体传递能量的过程，不需要任何中间介质，真空中也能进行热量传递。辐射能的载运体是电磁波，根据波长不同，电磁波可分为：5.5 5.5 辐射传热辐射传热可可见见光光（=0.380.76m）、红红外外线线（=0.76800m）和和无无线线电电波波（=1000m以以上上），工工业业温度范温度范围围内内热辐热辐射最射最显显著的波段是著的波段是0.7620m。物体以电磁波（电场和磁场的交替变换）方式向外传递能量的过程称为辐辐射射，被传递的能量称为辐辐射射能能。物体会因多种方式激发电磁波，如果物体由于自身温度或热运动而产生电磁波的传播，则称为热热辐辐射射，物体以热辐射方式进行的能量传递的过程称为辐辐射射传热传热。辐辐射射是是一一切切物物体体的的固固有有特特性性，只只要要物物体体温温度度高高于于绝对绝对零度，就会不断地向外零度，就会不断地向外辐辐射能量射能量。物物体体辐辐射射的的能能量量随随着着物物体体温温度度高高低低而而不不同同，不仅高温物体向外辐射能量，低温物体也向外辐射能量，所以辐辐射射换换热热就就是是物物体体之之间间相相互互辐辐射射和和吸吸收收的的结结果果，只只要要参参与与辐辐射射的的各各物物体体温温度度不不同同，辐辐射射换换热热的的差差值值就就不不等等于于零零，最最终终低低温温物物体体得得到到的的热热量量就就是是热热交交换换的差的差值值。热辐射的吸收、反射和透过热辐射的吸收、反射和透过 如图所示，设有一束热射线能量为Q，投射到物体上以后，一部分能量被物体吸收一部分能量被物体吸收，一部分能量一部分能量被反射，另一被反射，另一部分能量透过部分能量透过该物体该物体，按能量平衡关系有:5.5 5.5 辐射传热辐射传热l 当当R=0，D=0，A=1时时，落落在在物物体体上上的的全全部部辐辐射射能能都都被被该该物体吸收，物体吸收，这这种物体称种物体称绝对绝对黑体，黑体，简简称称黑体黑体。l 当当A=0，D=0，R=1时时，落落在在物物体体上上的的全全部部辐辐射射能能完完全全被被该该物物体体反反射射出出去去，这这种种物物体体称称绝绝对对白白体体，简简称称白白体体。l 当当A=0，R=0，D=1时时，落落在在物物体体上上的的辐辐射射能能全全部部透透过该过该物体，物体，这这种物体称种物体称绝对绝对透明体，透明体，简简称称透透热热体体。l如如果果物物体体对对热热辐辐射射射射线线的的反反射射角角等等于于入入射射角角，形形成成镜镜面反射，面反射，这样这样的物体称的物体称为为镜镜体体。注意注意这这里的黑体、白体、透里的黑体、白体、透热热体与黑色、白色体与黑色、白色和透明体的区和透明体的区别别；大多数工程材料都是不透大多数工程材料都是不透过热过热射射线线的，的，热热射射线线在物体表面很薄的一在物体表面很薄的一层层内被吸收，薄内被吸收，薄层层的厚度的厚度约为约为0.00030.1mm，所以，所以D=0，A+R=1。自然界所有物体的吸收率、反射率、透自然界所有物体的吸收率、反射率、透过过率都率都在在01之之间变间变化，没有化，没有绝对绝对的黑体、白体和透的黑体、白体和透热热体体。绝绝对对黑黑体体模模型型：在在空空心心物物体体的的壁壁上上开开一一个个小小孔孔，若若小小孔孔的的面面积积小小于于空空心心物物体体内内壁壁面面积积的的0.6%，所所有有进进入入小小孔孔的的辐辐射射热热射射线线，在在孔孔内内多多次次反反射射以以后后99.6%以以上被内壁吸收，此小孔就具有上被内壁吸收，此小孔就具有绝对绝对黑体的性黑体的性质质。物体的辐射能力物体的辐射能力 发发射射辐辐射射能能的的物物体体，单单位位时时间间内内，单单位位面面积积向向半半球球空空间间发发射射的的全全部部波波长长的的辐辐射射能能量量称称辐辐射射能能力力。常用常用E表示，单位为表示，单位为W m-2。发发射射辐辐射射能能的的物物体体，单单位位时时间间内内，单单位位面面积积向向半半球球空空间间发发射射的的某某一一单单位位波波长长范范围围内内的的辐辐射射能能量量称称单色辐射能力单色辐射能力。常用。常用E表示，单位为表示，单位为w m-2m-1。5.5 5.5 辐射传热辐射传热辐辐射射能能力力包包括括发发射射出出去去的的波波长长=0到到=的的一一切切波波长长的的射射线线，若若设设E代代表表波波长长到到+范范围围内内的的辐辐射射能能力，力，则则有有单单色色辐辐射能力。射能力。因此，因此，辐辐射能力与射能力与单单色色辐辐射能力之射能力之间间存在关系存在关系 5.5.2 辐射换热基本定律辐射换热基本定律普朗克定律普朗克定律 1900年年，德德国国物物理理学学家家普普朗朗克克（M.Planck）根根据据量量子子理理论论，揭揭示示了了黑黑体体的的单单色色辐辐射射能能力力与与波波长长和和绝绝对对温温度度之之间间的的规规律律，即即，称称为为Planck定定律律，具具体表达式体表达式为为5.5 5.5 辐射传热辐射传热式中式中 为为波波长长，m；T为为温度，温度，K；C1为为普普朗朗克克第第一一常常数数，3.74310-16Wm2；C2为为普普朗朗克克第第二二常常数数，1.43910-2mK；根根据据公公式式，普普朗朗克克定定律律可以通可以通过过图图形直形直观观表达表达 由由图图可可见见：黑黑体体的的辐辐射射光光谱谱是是连连续续的的，其其波波长长范范围围从从0；当当=0时时，E0=0，随随波波长长增增加加，单单色色辐辐射射能能力力增增大大，当当达达到到某某一一值值时时，E0有有一一峰峰值值，以以后后又又逐逐渐渐减减小小；温温度度越越高高，曲曲线线峰峰值值越越向向左左移移，当当温温度度达达到到5800K时时，峰峰值值对对应应的的波波长长进进入入可可见见光光区，峰区，峰值对应值对应的波的波长长与与绝对绝对温度的关系温度的关系为为：（维维恩位移定律恩位移定律）；）；辐辐射射能能力力最最强强的的波波长长范范围围是是0.7610m，这这正正是是红红外外线线波波长长范范围围，处处于工于工业业温度范温度范围围6001400K。四次方定律四次方定律黑体的黑体的辐辐射能力射能力为为 称称为为Stefan-Boltzmann定律，四次方定律定律，四次方定律。0称称为为斯蒂芬斯蒂芬-波波尔尔茨曼常数，茨曼常数，0=5.6710-8 Wm-2K-4。C0=5.67 Wm-2K-4。5.5 5.5 辐射传热辐射传热 四四次次方方定定律律说说明明：随随着着温温度度升升高高，物物体体的的辐辐射射能能力力迅迅速速增增大大，因因此此高高温温时时辐辐射射传传热热所所占占比比例例很很大大。只只要要绝绝对对温温度度不不为为零零，物物体体就就会会向向外外辐辐射射能能量量，对对黑黑体体而而言言，温温度度确确定定后后，辐辐射射能能力力只只与与温温度度有关。有关。实实际际物物体体的的单单色色辐辐射射能能力力都都小小于于同同温温度度下下黑黑体体在在该该波波长长上上的的单单色色辐辐射射能能力力，把把实实际际物物体体的的辐辐射射能能力力与与同同温温度度下下黑黑体体的的辐辐射射能能力力之之比比称称为为该该物物体体的的黑黑度度。黑黑度度也也称称辐辐射射率率，表表示示实实际际物物体体的的辐辐射射能能力力接接近黑体的程度。近黑体的程度。黑度黑度的概念的概念物体的物体的黑度是物体的一种物性参数，取决于物体的黑度是物体的一种物性参数，取决于物体的材材质质，也与物体的温度、表面状，也与物体的温度、表面状态态等有关，黑度可等有关，黑度可通通过实验测过实验测定定 如如果果物物体体的的辐辐射射光光谱谱是是连连续续的的，在在任任何何温温度度下下任任何何波波长长的的单单色色辐辐射射能能力力E与与黑黑体体在在同同一一波波长长的的单单色色辐辐射射能能力力E0之之比比都都是是同同一一数数值值，这这种种物物体体称称为为灰体灰体。温温度度变变化化不不大大时时，灰灰体体的的黑黑度度可可近近似似地地认认为为不不随随温温度度而而变变，因因此此四四次次方方定定律律也也适适用用于于灰灰体体，由由此此可得到可得到灰体的灰体的辐辐射能力射能力为为：黑度黑度的概念的概念兰贝特定律兰贝特定律 四次方定律只说明了一个物体作为辐射源单位表面向半球空间发射的总能量。但究竟有多少能量落在另一个表面上，要考察一下辐射能按空间方向的分布规律，此规律由兰贝特（Lambert）定律阐明。1860年，Lambert根据对黑体的实验发现:兰贝特定律，也称兰贝特定律，也称余定律余定律 5.5 5.5 辐射传热辐射传热克希荷夫定律克希荷夫定律 1859年年，德德国国物物理理学学家家G.R.Kirchhoff揭揭示示了了物物体体发发射射辐辐射射能能的的能能力力与与吸吸收收辐辐射射能能的的能能力力之之间间的的关关系系，即物体的吸收率与即物体的吸收率与辐辐射率（黑度）之射率（黑度）之间间的关系的关系:或或 5.5 5.5 辐射传热辐射传热 Kirchhoff定定律律说说明明：平平衡衡状状态态下下，任任何何物物体体的的辐辐射射能能力力与与吸吸收收率率的的比比值值恒恒等等于于同同温温度度下下黑黑体体的的辐辐射能力，与物体的表面性射能力，与物体的表面性质质无关，无关，仅仅是温度的函数是温度的函数。表表明明任任何何物物体体的的黑黑度度都都等等于于它它对对黑黑体体辐辐射射的的吸吸收收率率，说说明明辐辐射射和和吸吸收收在在本本质质上上是是相相同同的的，只只是是表表现现形形式式不不同同，即即粒粒子子由由高高能能级级向向低低能能级级跃跃迁迁时时向向外外发发射射热热射射线线，反之，反之则则吸收吸收热热射射线线。5.5.3 物体表面间的辐射换热物体表面间的辐射换热 两平行黑体表面组成的封闭体系的辐射换两平行黑体表面组成的封闭体系的辐射换热热 如如图图，两两平平行行的的黑黑体体表表面面组组成成的的封封闭闭体体系系，其其温温度度、吸吸收率和黑度分收率和黑度分别为别为：T1，a1=1=1，T2，a2=2=1 5.5 5.5 辐射传热辐射传热 则则1面面辐辐射射的的能能量量E1落落到到2面面被被全全部部吸吸收收，2面面辐辐射的能量射的能量E2落到落到1面被全部吸收，面被全部吸收，则则2面得到面得到热热量量为为：wm-2 两平行灰体表面组成的封闭体系的辐射换两平行灰体表面组成的封闭体系的辐射换热热 如如图图所所示示，两两平平行行的的灰灰体体表表面面组组成成的的封封闭闭体体系系，其其温温度度、吸吸收收率率和和黑黑度度分分别别为为：T1、a1、1及及T2、a2、2，透透过过率率D1=D2=0。要要计计算算两两表表面面间间的的辐辐射射换换热热量量，需需要要用用按按辐辐射射吸吸收收反反射射吸吸收收 无无限限循循环环追追计计的的办办法求解，分析如下：法求解，分析如下：5.5 5.5 辐射传热辐射传热1面面辐辐射的能量射的能量 E12面吸收的部分面吸收的部分 E1 a22面反射回去的部分面反射回去的部分 E1(1-a2)1面吸收反射回的部分面吸收反射回的部分 E1(1-a2)a11面又反射回的部分面又反射回的部分 E1(1-a2)(1-a1)2面又吸收的部分面又吸收的部分 E1(1-a2)(1-a1)a2同理，同理，2面面辐辐射的能量射的能量 E21面吸收的部分面吸收的部分 E2 a11面反射回去的部分面反射回去的部分 E2(1-a1)2面吸收反射回的部分面吸收反射回的部分 E2(1-a1)a22面又反射回的部分面又反射回的部分 E2(1-a1)(1-a2)1面又吸收的部分面又吸收的部分 E2(1-a1)(1-a2)a1如此如此反复吸收和反射反复吸收和反射，最后被完全吸收。，最后被完全吸收。设设，则则1面自身面自身辐辐射出去后又回到射出去后又回到1面被它自身吸收的面被它自身吸收的热热量量为为：E1(1-a2)a1+E1(1-a2)2(1-a1)a1+.=E1(1-a2)a1(1+p+p2)=1面吸收来自面吸收来自2面的面的热热量：量：E2 a1+E2(1-a1)(1-a2)a1+=E2 a1(1+p+p2+)=1面面热热量收支差量收支差额为额为：按四次方定律：按四次方定律：代入上式得代入上式得：任意放置的两灰体表面组成的封闭体系间任意放置的两灰体表面组成的封闭体系间的辐射换热的辐射换热（自学）（自学）5.5 5.5 辐射传热辐射传热1、角度系数、角度系数 如如图图3-10所所示示，两两微微元元面面dA1和和dA2中中心心距距离离为为r，面面积积和和温温度度分分别别为为A1、T1和和A2、T2，连连线线r与与它它们们的的法法线线的的夹夹角角分分别别为为1和和2。1面面辐辐射射出出去去的的能能量量不不能能全全部部落落到到2面面上上，我我们们把把1面面辐辐射射出出去去的的总总能能量量落落在在2面上的份数面上的份数称为称为1面对面对2面的角度系数，用面的角度系数，用12表示。表示。根据兰贝特定律，两个微元面间的热交换为：根据兰贝特定律，两个微元面间的热交换为：上式积分得到：上式积分得到：得角度系数定义式：得角度系数定义式：从从定定义义式式可可看看到到：只只与与物物体体表表面面形形状状、大大小小、距距离离、相相互互位位置置等等几几何何因因素素有有关关，它它是是一一个个纯纯几几何何参参数数。通通过过上上式式计计算算十十分分繁繁琐琐，一一般般应应用用时时只只需需计计算算一一些些简简单单封封闭闭体体系系的的角角度度系系数数，这这可可利用角度系数的一些特性完成。利用角度系数的一些特性完成。角度系数具有以下特性角度系数具有以下特性：角度系数的互换性（互变原理）角度系数的互换性（互变原理）A112=A212 直线传播原则（不能直线传播原则（不能“自见自见”性）性）平面和凸面辐射出来的能量不能落在自身上，即不能平面和凸面辐射出来的能量不能落在自身上，即不能“自见自见”角度系数的完整性角度系数的完整性对几个凸面或平面组成的封闭体系，由对几个凸面或平面组成的封闭体系，由Q=Q1-2+Q1-3+Q1-3+得：得：根据角度系数的上述特性，可以容易地得到冶金根据角度系数的上述特性，可以容易地得到冶金上常见的几种辐射换热情况的角度系数上常见的几种辐射换热情况的角度系数.图图3-11 冶金炉常见几种情况的角度系数冶金炉常见几种情况的角度系数 2、有有效效辐辐射射是是从从指指定定表表面面发发出出的的全全部部辐辐射射能能的的总总合合，或离开指定表面的全部辐射能的总合，用或离开指定表面的全部辐射能的总合，用Qe表示。表示。3、任意放置的两灰体表面组成的封闭体系间的辐射换热、任意放置的两灰体表面组成的封闭体系间的辐射换热 现现假假设设有有两两个个任任意意放放置置的的表表面面组组成成的的封封闭闭体体系系，两两表表面面的的温温度度、吸吸收收率率、黑黑度度和和面面积积分分别别为为T1、a1、1、A1及及 T2、a2、2、A2，透透 过过 率率D1=D2=0。用用12表表示示1面面对对2面面的的角角度度系系数数，用用21表示表示2面对面对1面的角度系数。面的角度系数。根根据据热热平平衡衡，一一个个表表面面得得到到的的净净热热量量等等于于投投射射到到该该表表面面的的热热量量减减去去该该表表面面有有效效辐辐射射所所得得的的差差额额.从从2面之外观察，面之外观察，2面得到的净热量为面得到的净热量为 Q2Qe112+Qe222Qe2 Qe112+Qe2（221）Qe112Qe221 从从2面之内观察，面之内观察，2面得到的净热量为面得到的净热量为 联解两式，得到联解两式，得到代回代回Q2表达式，得：表达式，得：由于由于 所以所以 例例题题3.1 设设马马弗弗炉炉内内表表面面A2=1m2，温温度度为为900，黑黑度度为为0.8；炉炉底底架架子子上上有有两两块块钢钢坯坯互互相相紧紧靠靠着着正正在在加加热热，料料坯坯断断面面为为50mm50mm1000mm，钢钢的的黑黑度度为为0.7。求金属温度求金属温度500时炉壁对金属的辐射传热量。时炉壁对金属的辐射传热量。解：解：1=0.7，T1=500+273=773K，A1=60.51=0.3m2；2=0.8，T2=900+273=1173K，A2=1m2 根据图根据图3-11第二种情况，坯料与炉壁之间的角度第二种情况，坯料与炉壁之间的角度系数系数11=0，12=1；21=0.3/0.1=0.3，22=0.7；即炉壁对金属的辐射传热量为即炉壁对金属的辐射传热量为17380W 5.5.4 气体辐射气体辐射 气体辐射特点气体辐射特点 1）气体对热射线的辐射和吸收具有选择性）气体对热射线的辐射和吸收具有选择性 固固体体的的辐辐射射光光谱谱是是连连续续的的，能能够够辐辐射射从从0几几乎乎所所有有波波长长的的电电磁磁波波。而而气气体体只只辐辐射射和和吸吸收收某某些些波波长长范范围围内内的的射射线线。例例如如CO2和和H2O的的辐辐射射和和吸吸收收各各有三个波段有三个波段 5.5 5.5 辐射传热辐射传热 单单原原子子气气体体和和对对称称双双原原子子气气体体（如如O2、N2、H2等等）的的辐辐射射和和吸吸收收能能力力都都很很小小，可可以以认认为为是是热热辐辐射射的的透透明明体体，即即A0、R=0、D=1；三三原原子子气气体体（如如CO2、H2O、SO2等等）、多多原原子子气气体体（如如CH4等等）和和不不对对称称双双原原子子气气体体（如如CO等等）则则有有较较强的辐射能力。强的辐射能力。2）气体对热射线的辐射和吸收在容积内进行）气体对热射线的辐射和吸收在容积内进行 固固体体对对热热射射线线的的辐辐射射和和吸吸收收在在固固体体表表面面（0.000010.1mm）进进行行，内内部部靠靠传传导导传传热热。但但对对气气体体来来说说，当当射射线线穿穿越越气气层层时时，气气体体在在整整个个容容积积内内对对射射线线边边透透过过边边吸吸收收，能能量量因因被被吸吸收收而而逐逐渐渐减减弱弱。所所以以，气气体体对对射射线线的的吸吸收收率率ag取取决决于于沿沿途途所所碰碰到到的的分分子子数数N，而而N与与该该气气体体的的分分压压P和和射射线线行行程程长长度度S及及气体温度气体温度T有关，故有关，故 ag=f（PS，T）3）克希荷夫同样适合气体辐射）克希荷夫同样适合气体辐射 气气体体的的黑黑度度也也等等于于同同温温度度下下的的吸吸收收率率，即ag=g，因此气气体体的的黑黑度度也也是是该该气气体体的的分分压压P和和射射线线行程长度行程长度S及气体温度及气体温度T的函数的函数。气体黑度是指气体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比，实际工程中，g 通过实验测定，并将实验数据整理成图表 气体的黑度气体的黑度 5.5 5.5 辐射传热辐射传热 混合气体的黑度等于每每种种气气体体黑黑度度的的代代数数和和，例如对CO2和H2O混合气体有：火焰的辐射火焰的辐射 气体燃料完全燃烧后，产物中可辐射气体只有CO2和H2O（O2和N2无辐射能力），由由于于它它们们的的辐辐射射光光谱谱中中没没有有可可见见光光波波段段，所所以以火火焰焰亮亮度度很很小小，黑黑度度也小，呈淡蓝色或无色，称为也小，呈淡蓝色或无色，称为暗焰暗焰。固固体体燃燃料料（煤煤）或或液液体体燃燃料料（重重油油）燃燃烧烧时时，火火焰焰中中含含有有大大量量分分解解的的炭炭黑黑、灰灰粒粒等等固固体体颗颗粒粒，辐辐射射光光谱谱是是连连续续的的，所所以以火火焰焰明明亮亮，黑黑度度也也大大，称称为为辉辉焰焰。辉焰辐射能力很强，黑度计算复杂，一般根据经验确定。5.5.5 火焰炉炉膛内的热交换火焰炉炉膛内的热交换 炉炉膛膛内内的的热热交交换换相相当当复复杂杂，参参与与热热交交换换过过程程的的物物质质包包括括高高温温炉炉气气、高高温温炉炉壁壁和和被被加加热热的的金金属属。三三种种传传热热方方式式同同时时存存在在：炉炉气气、炉炉壁壁和和金金属属之之间间相相互互进进行行辐辐射射热热交交换换，炉炉气气以以对对流流方方式式向向炉炉壁壁和和金金属属传传热热，金金属属表表面面吸吸收收热热量量后后以以传传导导传传热热方方式式向向内内部部传传热热，使使金金属属内内能能增增加加温温度度升升高高，炉炉壁壁又又通通过过导导热热损损失一部分热量。失一部分热量。5.5 5.5 辐射传热辐射传热5.5.6 综合传热综合传热 将将传传热热过过程程分分为为传传导导、对对流流、辐辐射射是是为为了了研研究究问问题题方方便便，实实际际传传热热过过程程通通常常是是两两种种或或三三种种传传热热方方式的综合，称为式的综合，称为综合传热综合传热。根根据据分分析析可可知知，流流体体流流过过固固体体表表面面时时，流流体体与与固固体体之之间间以以对对流流和和辐辐射射方方式式发发生生热热量量交交换换，根根据据牛牛顿冷却公式和辐射换热公式有顿冷却公式和辐射换热公式有 5.5 5.5 辐射传热辐射传热 对对为对流换热系数，为对流换热系数，辐辐为辐射换热系数，为辐射换热系数，为综合换热系数为综合换热系数