热辐射原理及计算

热辐射HeatRadiationKeywords:Radiationheattransfer,Emissivity,Absorptivity,Reflectivity,Transmissivity,Prancklaw,Stefan-Boltamannlaw,Kirchhofflaw作业：练习题4-12,4-131热辐射的基本概念①热辐射机理的定性描述：物体受热后→其中某些原子or分子“激发态”，从激发态→低能态→能量就以电磁波辐射的形式发射出来。②热射线可见光线(波长：0.4～0.8μm——T↑↑，热效应明显)红外光线(波长：0.8～20μm——多数具有实际意义热辐射波长→决定作用)自发物体因热的原因，对外以电磁波形式向外发出辐射能→吸收→热能。(1)热辐射(T↑，热辐射↑)(2)热辐射对物体的作用——A、R、D被吸收QA；被反射QR；穿透物体QD。③热射线的特点：在均质介质中→直线传播；在真空、多数气体中→完全透过；在工业上常见的多数固体or液体中→不能透过。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Q：理想物体，作为实际物体一种比较标准→简化辐射传热计算。①黑体、镜体、透过体、灰体黑体(绝对黑体)：A=1，R=D=0→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。镜体(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(正常反射)。透过体(绝对透过体)：D=1，A=R=0；能透过全部辐射能的物体。实际上：对无光泽的黑体表面，A=0.96～0.98——接近黑体；磨光的铜表面，R=0.97——近似镜体；单原子or对称双原子气体，D↑——视为透过体。物体的性质；表面状况；温度；投射辐射线的波长。物体的A、R、D→其大小取决于：灰体——能以相同吸收率吸收所有波长范围辐射能的物体；A与辐射线波长无关，即物体对投入辐射的吸收率与外界无关；不透过体，A+R=1→工业上常见固体材料(0.4～20μm)。特点：(3)辐射传热物体之间相互辐射与吸收辐射能的传热过程。物体在一定温度下，单位时间、单位表面积所发出全部波长的总能量。E（J/m2·s，即W/m2）2固体的辐射能力表征固体发射辐射能的本领单色辐射能力：在一定温度下，物体发射某种波长的能力，记作：Eλ(W/m3)定义： Plancklaw——黑体的单色辐射能力Ebλ随波长λ、温度T的变化规律①对应于每一温度T→均为一条能量分布曲线；式中：Ebλ——黑体的单色辐射能力，W/m2；T——黑体的绝对温度，K；C1——常数，其值为3.743×10-16，W·m2；C2——常数，其值为1.4387×10-2，m·K。从图中可见：紫外灾难②T↑，Ebλ，max移向波长较短的方向③等温线下的面积→黑体的辐射能力Eb另外：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CO2吸收地球辐射波，导致温室效应。(2)Stefan-Boltzmannlaw(四次方定律)黑体的辐射系数由四次方定律：Eb对T敏感，T↑，热辐射起主导作用。——黑体辐射能力Eb与T间的关系(3)灰体的辐射能力E—εε：是物体本身的特性物体的性质；温度；表面状况(表面粗糙度、氧化程度)。ε由实验测定将Stefan-Boltamannlaw用于灰体：物体的黑度ε为同温度下灰体与黑体的辐射能力之比，即ε=E/EbC：灰体辐射系数；定义：——灰体辐射能力与吸收能力间(E～A)的关系任何灰体的辐射能力与吸收率之比恒等于同一温度下绝对黑体的辐射能力。数学表达式：(4)Kirchhofflaw即：或：同一灰体吸收率与其黑度在数值上必相等。ε↑→A↑→E↑两无限大的平行平壁——两壁面间距离<<壁面尺寸；其中一壁面1——灰体T1、E1、A1<1；另一壁面2——黑体T2、Eb、Ab=1；T1>T2，两壁面间为透热体(D=1)，系统对外绝热。对壁面1，辐射传热的结果即两壁面辐射传热的热通量q为：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：A<1，E<Eb且A=εKirchhofflaw推导过程：Kirchhofflaw推导的假设条件：3物体间的辐射传热——讨论两灰体间的辐射传热 两灰体间辐射传热过程的复杂性(与灰体—黑体间辐射传热对比)①因灰体A<1→在灰体间的辐射传热中，辐射能多次被吸收、被反射→A、R；②由于物体的形状及大小、相互间的位置与距离等因素影响→引入角系数φ。（φ：一物体表面辐射的总能量落到另一物体表面的分率）(2)两无限大灰体平行平壁间辐射传热计算q1-2两大平壁→从一壁面发出的辐射能可全部投射到别一壁面上，φ=1；两壁面间的介质为透过体→D=1(气体)；两平壁均为不透过体→A+R=1。对壁面1，有效辐射Eef1(辐射及多次反射结果)为：式中：无穷级数推导假设：同理，壁面2的有效辐射Eef2为：引入总辐射系数C1-2(物体1对2)：取决于壁面的性质、两壁面的几何尺寸；两大平行平壁：(3)两平板面积均为A时的辐射传热速率Q1-2(4)任意两灰体间的辐射传热速率Q1-2(引入角系数φ1-2)(5)角系数(几何因数)φ——从一个物体表面所发出的辐射能被另一物体表面所截获分数②一物体被包围——室内、加热炉内、同心圆球、同心圆筒等(A1)①两大平行板若为有限面积A1平行面：③物体2恰好包住物体1(A2≈A1)：4影响辐射传热的主要因素辐射传热量正比于温度的四次方之差→同样△T，在高温时辐射传热量↑；如：T1=720K，T2=700K与T1=120K，T2=100K两者温差相同，但在其它条件相同时，热流量相差240多倍→高温传热时，热辐射占主要地位； 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遮热板ε↓→阻挡辐射传热。两辐射表面的形状与大小、方位与距离→φ→一表面对另一表面的投射角；(2)几何位置(3)表面黑度ε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例：计算遮热板的作用。某车间内有一高度为0.7m，宽1m的铸铁炉门(已氧化)，表面温度450℃，室温为27℃。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相同的铝制遮热板(已氧化)，试计算放置遮热板前、后炉门因辐射而散失的热量。(铸铁ε1=0.75，铝ε3=0.15)解：①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→两者之间辐射传热视为两无限大平壁间的相互辐射，则有：②设铝板温度T3，则有：遮热板与四周的散热量Q3-2为：稳态传热，Q1-3=Q3-2T3=609KQ1-3=770W∴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—是减少辐射散热有效方法，且遮热板ε↓，遮热板数↑，热损失↓。例：热电偶的测温误差。①裸露热电偶—测得管道内高温气体T1=923K。已知：管壁TW=440℃，热电偶表面ε1=0.3，高温气体对热电偶表面α1=50W/m2·℃，试求：管内气体真实温度Tg及热电偶测温误差；②若采用单层遮热罩(ε2=0.3)抽气式热电偶，α2=90W/m2·℃(抽气α↑)，试求：热电偶的指示温度T1。解：①裸露热电偶——稳态传热：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遮热罩表面对流传热速率=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=遮热罩与热电偶辐射散热速率绝对误差37K；相对误差3.4%→采用遮热罩抽气式热电偶使测温精度↑。②加遮热罩，稳态传热条件下：5对流与辐射的联合传热——管道、设备热损失的计算当管道or设备外壁温度TW>T环境→Q损失=Q对流+Q辐射(1)对流传热热损失QC(2)辐射传热热损失QR(4)αT的估算(有保温层设备、管道外热损失)(3)设备总损失QαT：对流—辐射联合表面传热系数例：在Φ219×8mm的蒸汽管道外包一层厚为75mm，导热系数为0.1W/m·K的保温材料，管内饱和蒸汽温度为160℃，周围环境温度为20℃，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。(假设管内冷凝传热与管壁热传导热阻不计)本节小结