第10章辐射换热.ppt

第10章 辐射换热学习导引学习导引 热辐射的传热现象与导热、热对流相比有着本质的区别。物体之间以热辐射的形式实现热量交换的现象称为辐射换热。本章主要介绍热辐射的本质、特点及其有关的基本概念，阐述了热辐射的基本定律。学习要求学习要求本章重点是理解热辐射的基本概念和基本定律，通过学习应达到以下要求：1.掌握热辐射和辐射换热的本质与特点。2.理解有关热辐射的吸收、反射、透射、黑体、白体、透热体及灰体等基本概念。3.理解斯蒂芬玻尔兹曼定律的实质。4.了解气体辐射的特点。主主 要要 内内 容容 10.1 10.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 10.2 10.2 热辐射的基本定律热辐射的基本定律 10.3 10.3 固体壁面之间的辐射换热固体壁面之间的辐射换热 10.4 10.4 气体辐射和太阳辐射简介气体辐射和太阳辐射简介10.1 10.1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 一、热辐射的概念 二、热辐射的特点 三、辐射换热 四、热辐射的性质一、热辐射的概念物体以电磁波的形式传递能量的过程称为辐射，被传递的能量称为辐射能。因热的原因激发物质内部微观粒子振动，将热能转变成辐射能，以电磁波的形式向外辐射的过程称为热辐射。电磁波谱电磁波谱 热射线热射线热辐射产生的电磁波，包括热辐射产生的电磁波，包括全部可见光全部可见光(为为0.380.380.760.76 mm）、部分紫外线部分紫外线（0.380.38 mm）和和部分红外线部分红外线（0.760.76 mm）。一般可将热辐射看成红外线辐射。一般可将热辐射看成红外线辐射。常用常用常用常用波长波长波长波长来描述电磁波来描述电磁波来描述电磁波来描述电磁波二、热辐射的特点（1）热辐射热辐射不需要冷、热物体直接接触，也不需要中间介质来传递热量，不需要冷、热物体直接接触，也不需要中间介质来传递热量，可以在可以在真空中进行真空中进行热量传播。热量传播。（2）热辐射过程不仅有能量的传递，而且还伴随有能量形式的转换。）热辐射过程不仅有能量的传递，而且还伴随有能量形式的转换。物体辐射物体辐射 热热 能能 辐射能辐射能 物体吸热物体吸热（3）任何物体的温度只要高于）任何物体的温度只要高于0K，都可以不停地向外发射电磁波。温度愈高，都可以不停地向外发射电磁波。温度愈高,热热辐射的能力愈强。辐射的能力愈强。具有强烈的方向性；具有强烈的方向性；辐射能与温度和波长均有关。辐射能与温度和波长均有关。（4）辐射换热是物体之间相互辐射和吸收的总效果。）辐射换热是物体之间相互辐射和吸收的总效果。高温高温物体物体低温低温物体物体热辐射是热量传递的热辐射是热量传递的热辐射是热量传递的热辐射是热量传递的基本方式之一基本方式之一基本方式之一基本方式之一三、辐射换热三、辐射换热 1、辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射不同，就像对流和对流换热一样。2、辐射换热的特点 A、不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在真空中就可以传递能量。B、在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换。C、无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量；总的结果是热由高温传到低温。1 1、当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三、当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿透种现象，即吸收、反射和穿透 。四、热辐射的性质四、热辐射的性质 1，即，即 0，物体能，物体能吸收全部吸收全部的辐射能。的辐射能。2 2、黑体、白体和透热体、黑体、白体和透热体 1，即，即 0，投射到物体上的辐射能被，投射到物体上的辐射能被全部反射全部反射。材料的性质及其表面粗糙度对吸收率有重大影响。一般来讲，物体材料的性质及其表面粗糙度对吸收率有重大影响。一般来讲，物体的表面越粗糙，吸收率就越大。的表面越粗糙，吸收率就越大。黑体：黑体：能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有方能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强。向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强。白体白体(镜体镜体)如磨光的金属表面如磨光的金属表面凡属黑体的一切量均凡属黑体的一切量均加下角标加下角标b b 均为假定的理想物体均为假定的理想物体 如电影院内壁如电影院内壁 透热体透热体 1，即，即 0，投射到物体上的辐射能被，投射到物体上的辐射能被全部透过全部透过。如绝对干燥空气如绝对干燥空气一般来讲，一般来讲，固体和液体都是不透热体固体和液体都是不透热体。气体反射率为气体反射率为0。4.灰体灰体1，且吸收率不随波长而改变（，且吸收率不随波长而改变（为常数为常数）的物体。）的物体。绝大多数的工程材料在热辐射范围内均可近似为绝大多数的工程材料在热辐射范围内均可近似为灰体灰体处理。处理。工程中为简化辐射换热计算而引入工程中为简化辐射换热计算而引入 对于大多数的固体和液体：对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于不含颗粒的气体：对于黑体：对于黑体：镜体或白体：镜体或白体：透明体：透明体：一、斯蒂芬一、斯蒂芬玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律11.2 11.2 热辐射的基本定律热辐射的基本定律辐射力：单位时间内单位表面积向半球空间所有方向发射的全波长辐射能的辐射力：单位时间内单位表面积向半球空间所有方向发射的全波长辐射能的总和。单位为总和。单位为W/W/黑体辐射力黑体辐射力E Eb b与黑体热力学温度的四次方成正比与黑体热力学温度的四次方成正比，又称为，又称为四次方定律四次方定律，即，即 或或 揭示了黑体的辐射能力与其温度揭示了黑体的辐射能力与其温度之间的关系之间的关系 b:黑体辐射常数，黑体辐射常数，其值为其值为5.67 10-8 W/(m2 K4)；T:黑体表面的热力学温度，黑体表面的热力学温度，K。Cb:黑体辐射系数，黑体辐射系数，其值为其值为5.67W/(m2 K4)。一、斯蒂芬一、斯蒂芬玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律单色辐射力物体在某一温度下，单位时间内单位表物体在某一温度下，单位时间内单位表面积向半球空间所有方向发射的某一波长的辐射能称为面积向半球空间所有方向发射的某一波长的辐射能称为单色辐射力。（光谱辐射力）单色辐射力。（光谱辐射力）E E。E、E关系:显然，显然，E E和和EE之间具有如下关系：之间具有如下关系：例例14-1试计算一黑体表面温度分别为试计算一黑体表面温度分别为25及及500时辐时辐射力的变化。射力的变化。二、黑度二、黑度 实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比称为实际物体的黑度（也称为物体的发射率），用表示。即 工程上最重要的是确定实际物体（灰体）的辐射力 黑度的物理意义：恒小于恒小于1。物体的黑度是物体本身的一种性质。物体的黑度是物体本身的一种性质。它表明物体的辐射能力接近于黑体的程度。表面粗糙的物体或氧化金属表面具有较大的黑度。表面粗糙的物体或氧化金属表面具有较大的黑度。常用工程材料的黑度由实验确定，可在常用工程材料的黑度由实验确定，可在附录附录和和有关手册有关手册中查出。中查出。根据黑度得到根据黑度得到实际物体辐射力实际物体辐射力的计算公式的计算公式 绝大部分非金属材料的黑度在绝大部分非金属材料的黑度在0.850.850.950.95之间，且之间，且 与表面状况的关系不大。可近似取作与表面状况的关系不大。可近似取作0.90.9。磨光的金属表面黑度较小。磨光的金属表面黑度较小。白体和透热体其黑度小到为零。白体和透热体其黑度小到为零。10.3 10.3 固体壁面之间的辐射换热固体壁面之间的辐射换热一、角系数一、角系数 物体间的物体间的辐射换热量辐射换热量除与物体的除与物体的表面温度表面温度和和黑度黑度有关有关外，还与物体外，还与物体换热表面的几何形状换热表面的几何形状、大小大小及及相对位置相对位置有关。有关。（a）板）板1辐射到板辐射到板2的能量最多的能量最多;（c）板）板1对板对板2的辐射能量为零的辐射能量为零;（b）则介于两种之间。）则介于两种之间。两固体表面之间的辐射换两固体表面之间的辐射换热量与两表面间的相对位热量与两表面间的相对位置有很大关系置有很大关系 由辐射面直接落到接收面上的能量与辐射面发出的由辐射面直接落到接收面上的能量与辐射面发出的全部能量之比全部能量之比称为称为角系数角系数X。角系数角系数 1:辐射面辐射面1发射出的能量，发射出的能量，W；2:辐射面辐射面2发射出的能量，发射出的能量，W；12:辐射面辐射面1发出的能量落到接收面发出的能量落到接收面2上的能量；上的能量；21:辐射面辐射面2发出的能量落到接收面发出的能量落到接收面1上的能量。上的能量。角系数的值永远小于角系数的值永远小于1。表表14-1 几种特殊情况的几种特殊情况的X值与值与C1,2的计算式的计算式 一旦两固体表面的表面积和相对位置确定了，它们的一旦两固体表面的表面积和相对位置确定了，它们的角系数数值也就确定了角系数数值也就确定了。角角 系系 数数此处的此处的X值可由值可由图图14-6查得。查得。54321序号序号1A1或或A2两个极大的平行面两个极大的平行面1A1在在3、4两种情况之间两种情况之间1A1物体物体2恰好包住物体恰好包住物体1，A1A2 1Cb 1A1很大的物体很大的物体2包住小物体包住小物体1 1 2Cb 1A1面积有限的两相等平行面面积有限的两相等平行面总辐射系数总辐射系数C1,2 角系数角系数X面积面积A辐辐 射射 情情 况况角角 系系 数数=图图14-6 平行面间直接辐射热交换的角系数平行面间直接辐射热交换的角系数=1圆盘形；圆盘形；2正方形；正方形；3长方形（边之比为长方形（边之比为2:1）；）；4长方形（狭长）长方形（狭长）二、两固体间的辐射换热二、两固体间的辐射换热 工程上常见的两固体工程上常见的两固体(灰体灰体1 1、2 2)相互辐射传热的过程，是两者之间辐射能的相互辐射传热的过程，是两者之间辐射能的反反复发射和反射复发射和反射过程过程。两固体间辐射换热的总结果为。两固体间辐射换热的总结果为温度较高的物体传递给温度较低温度较高的物体传递给温度较低物体的净热量物体的净热量。两固体表面间的两固体表面间的净辐射换热量净辐射换热量可按下式计算可按下式计算 式中式中 A A辐射换热的计算基准面积，辐射换热的计算基准面积，m m2 2；当两固体的辐；当两固体的辐射面积不相等时，取辐射面积较小的一个（见射面积不相等时，取辐射面积较小的一个（见表表14-114-1中中A A1 1)。C C1 1，2 2总辐射系数总辐射系数 例例一根水平放置的蒸汽管道，一根水平放置的蒸汽管道，一根水平放置的蒸汽管道，一根水平放置的蒸汽管道，其保温层外径其保温层外径其保温层外径其保温层外径d=583 d=583 mmmm，外表面实测平均温度及空气温度分别为，外表面实测平均温度及空气温度分别为，外表面实测平均温度及空气温度分别为，外表面实测平均温度及空气温度分别为tw=48tw=48，tf=23tf=23。此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传。此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传。此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传。此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传热系数热系数热系数热系数h=3.42 W/(m2 K),h=3.42 W/(m2 K),保温层外表面的发射率保温层外表面的发射率保温层外表面的发射率保温层外表面的发射率=0.9=0.9问：（问：（问：（问：（1 1）此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式；此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式；此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式；此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式；（2 2）计算每米长度管道的总散热量。）计算每米长度管道的总散热量。）计算每米长度管道的总散热量。）计算每米长度管道的总散热量。（3 3）计算结果说明什么问题？）计算结果说明什么问题？）计算结果说明什么问题？）计算结果说明什么问题？10.4 10.4 气体辐射和太阳辐射简介气体辐射和太阳辐射简介 在工业上常遇到的在工业上常遇到的高温高温范围内，范围内，分子结构对称的双原分子结构对称的双原子气体子气体可视为可视为透热体透热体，如：，如：O2、N2、H2等；等；分子结构不对称的双原子气体分子结构不对称的双原子气体及及多原子气体多原子气体都都具有相具有相当大的辐射能力和吸收能力当大的辐射能力和吸收能力，如：，如：CO、CO2、H2O、CH4。前面在讨论固体表面间的辐射换前面在讨论固体表面间的辐射换热时，由于表面温度不高，不考热时，由于表面温度不高，不考虑固体表面间的介质虑固体表面间的介质(认为是透热认为是透热体体)对辐射换热的影响对辐射换热的影响 工程上，工程上，烟气烟气（或（或燃气燃气）中的）中的二氧化碳二氧化碳和和水蒸气水蒸气是主是主要的具有辐射能力的气体，其辐射和吸收特性对烟气的影要的具有辐射能力的气体，其辐射和吸收特性对烟气的影响很大。响很大。自自 学学一、气体辐射和吸收的特点一、气体辐射和吸收的特点（1）气体的辐射和吸收）气体的辐射和吸收对波长有强烈的选择性对波长有强烈的选择性。气体只能辐射和吸收气体只能辐射和吸收光带光带的能量，对光带以外的热的能量，对光带以外的热射线，气体就成为透热体。射线，气体就成为透热体。光带光带:气体辐射和吸收的波长范围。气体辐射和吸收的波长范围。气体的辐射光谱和气体的辐射光谱和吸收光谱吸收光谱 不连续不连续1黑体；黑体；2灰体；灰体；3气体气体气体的辐射能力仍可用其黑度来表征。气体的辐射能力仍可用其黑度来表征。表表14-2水蒸气和二氧化碳的辐射和吸收光带水蒸气和二氧化碳的辐射和吸收光带 部分光带重叠部分光带重叠 气体辐射气体辐射光带光带气体种类气体种类H2OCO2波长范围波长范围/m带宽带宽/m波长范围波长范围/m带宽带宽/m2.243.271.032.363.020.664.8 8.53.74.014.80.7912251312.516.54.0气体的吸收率不再与其黑度相等，不能近似地作为灰体处理。气体的吸收率不再与其黑度相等，不能近似地作为灰体处理。气体的吸收能力除与本身气体的吸收能力除与本身情况有关外，还与外来的情况有关外，还与外来的波长范围有关波长范围有关 当辐射能投射到气体当辐射能投射到气体界面上时，辐射能穿过气界面上时，辐射能穿过气体界面并进入气体层，在体界面并进入气体层，在透过气体层的过程中透过气体层的过程中不断不断被气体吸收被气体吸收，最后只有部，最后只有部分能量穿透整个气体层。分能量穿透整个气体层。当当气气体体层层对对某某一一界界面面辐辐射射时时，实实际际上上是是整整个个气气体体层层中中各各处处的的气气体体对对该该界界面辐射的总和。面辐射的总和。（2）气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的。）气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的。气体辐射气体辐射固体的辐射和吸收固体的辐射和吸收是在表面进行的是在表面进行的 二、火焰辐射二、火焰辐射 锅锅炉炉内内燃燃料料燃燃烧烧产产生生的的火火焰焰与与四四周周受受热热面面（水水冷冷壁壁）之之间间进进行行辐辐射射传传热的过程称为热的过程称为炉内辐射换热炉内辐射换热。火焰辐射近似于固体辐射火焰辐射近似于固体辐射，可近似地作为，可近似地作为灰体灰体处理。处理。发光火焰的辐射特性与其所含发光火焰的辐射特性与其所含微粒的大小和数量微粒的大小和数量有关。有关。火焰中含有煤粒、飞灰与烟渣等火焰中含有煤粒、飞灰与烟渣等具有辐射能力强的固体微粒具有辐射能力强的固体微粒 为复杂换为复杂换热过程热过程 三、太阳三、太阳辐射辐射 太阳的巨大能量完全靠太阳的巨大能量完全靠辐射辐射方式送达地球表面方式送达地球表面;由由于距离遥远，到达地球的于距离遥远，到达地球的太阳射线近似于平行太阳射线近似于平行。由于太阳由于太阳温度高温度高达数千万度，它向宇宙空间辐射的达数千万度，它向宇宙空间辐射的能量中约能量中约98集中在集中在0.2 m 3 m的的短波区短波区。紫外线紫外线部分（部分（0.38 m）约占）约占8.7，太阳辐射能量中太阳辐射能量中:可见光可见光部分（部分（0.38 m 0.76 m）约占）约占44.6，红外线红外线部分（部分（0.76 m）约占）约占45.4。在太阳和地球的平均距离上，在地球大气层外缘与太阳射线垂直的单位面积上在太阳和地球的平均距离上，在地球大气层外缘与太阳射线垂直的单位面积上接收到的太阳辐射能为接收到的太阳辐射能为太阳辐射太阳辐射Sc1367W/m21.6W/m2 Sc 为太为太阳常数阳常数由由Sc，可算得，可算得太阳表面太阳表面相当于温度为相当于温度为5762K的黑体的黑体。地球大气层外缘某区域水平面上地球大气层外缘某区域水平面上单位面单位面积积所接受到的所接受到的太阳辐射能太阳辐射能为为 GsfSccos f :地球绕太阳运行轨道非圆形的修正，地球绕太阳运行轨道非圆形的修正，f 0.971.03 :太阳射线与水平面法线的夹角，称太阳射线与水平面法线的夹角，称天顶角天顶角。太阳射线在穿过大气层时，太阳射线在穿过大气层时，沿程强度逐渐减弱沿程强度逐渐减弱，减弱程度与太阳，减弱程度与太阳射线在射线在大气中的行程长度大气中的行程长度、大气的成分大气的成分及及被污染的程度被污染的程度有关。有关。太阳辐射太阳辐射1.大气层的吸收作用大气层的吸收作用 大气层中的大气层中的O3、O2、H2O、CO2等气体对太阳辐射的等气体对太阳辐射的吸收具有明显的选择性。吸收具有明显的选择性。臭氧（臭氧（O3）紫外线紫外线 H2O、CO2红外线红外线 部分可见光部分可见光 O2、O3 尘埃、污染物尘埃、污染物各类射线各类射线 2.大气层的散射作用大气层的散射作用太阳辐射太阳辐射 瑞利散射（或分子散射）瑞利散射（或分子散射）由气体分子引起的由气体分子引起的几乎各个方向分布均匀的几乎各个方向分布均匀的散射散射。气体分子对气体分子对短波短波辐射散射强烈辐射散射强烈。所以晴朗的天空看所以晴朗的天空看起来是蓝色的起来是蓝色的 米氏散射米氏散射 由大气中的灰尘和悬浮颗粒引起的由大气中的灰尘和悬浮颗粒引起的主要向着原射线主要向着原射线方向的方向的散射。散射。太阳总辐射太阳总辐射直接辐射直接辐射散射辐射散射辐射=+晴天为主晴天为主阴天为主阴天为主 3.大气层的反射作用大气层的反射作用太阳辐射太阳辐射 大气的云层大气的云层和和较大的尘粒较大的尘粒，对太阳辐射有反射作用，把部分太阳辐射反射回宇，对太阳辐射有反射作用，把部分太阳辐射反射回宇宙空间，其中云层的反射作用最大。宙空间，其中云层的反射作用最大。太阳辐射与地球辐射的热平衡的结果使地球表面温度一年四季在大约太阳辐射与地球辐射的热平衡的结果使地球表面温度一年四季在大约250K至至320K的范围内变化。的范围内变化。近些年来，近些年来，由于大气中由于大气中CO2、SO2及氮氧化物等气体含量的增多，产生所谓的及氮氧化物等气体含量的增多，产生所谓的“温室效应温室效应”，使地球表面的温度升高，使地球表面的温度升高。由于这些气体对地球表面红外由于这些气体对地球表面红外辐射的强烈吸收作用，使地球辐射的强烈吸收作用，使地球向太空辐射的热量减少向太空辐射的热量减少 太阳辐射是一种无污染的清洁能源，太阳能的开发利用太阳辐射是一种无污染的清洁能源，太阳能的开发利用越来越受到人类的重视。越来越受到人类的重视。