化工原理少学时课件和辅导教程考试重点例题复习题及课后答案24热辐射.ppt

1、第五节第五节 热辐射热辐射RadiationRadiation一、基本概念一、基本概念（一）热辐射的物理性质：（一）热辐射的物理性质：凡是热力学温度在零度以上的物体，由于物凡是热力学温度在零度以上的物体，由于物体内部原子复杂的激烈运动能以电磁波的形式向体内部原子复杂的激烈运动能以电磁波的形式向外发射热辐射线，并向周围空间作直线传播。外发射热辐射线，并向周围空间作直线传播。当与另一物体相遇时，则可被吸收、反射和当与另一物体相遇时，则可被吸收、反射和透过，其中被吸收的热辐射能就转变为热能透过，其中被吸收的热辐射能就转变为热能。热辐射的特点：热辐射的特点：能量传递的同时还伴随着能量形式的转换；能量传

2、递的同时还伴随着能量形式的转换；不需要任何介质，可在真空中传播。不需要任何介质，可在真空中传播。名称名称波长波长，m紫外线紫外线0.10.38可见光可见光0.380.76红外线红外线0.761000热热辐辐射射线线大部分能量集中在大部分能量集中在0.7620m被反射被反射Q穿过物体穿过物体Q被吸收被吸收QN总能量总能量Q能量守恒定律：能量守恒定律：QQQQ （二）（二）吸收率、反射率与透过率吸收率、反射率与透过率透过率。透过率。反射率；反射率；吸收率；吸收率；QQQQQQ透热体：透热体：1，即物体对投射来的热辐射既不吸收也不反射，即物体对投射来的热辐射既不吸收也不反射，而是全部透过。而是全部透

3、过。1.分子结构对称的双原子气体可认为是近似的分子结构对称的双原子气体可认为是近似的透热体透热体,如：如：O2、H2、N2。2.分子结构不对称的双原子气体和多原子气体，分子结构不对称的双原子气体和多原子气体，一般具有较大的辐射能力和吸收能力，如：一般具有较大的辐射能力和吸收能力，如：CO、CO2、SO2、CH4和水蒸气等。和水蒸气等。（三）透热体、白体与黑体（三）透热体、白体与黑体白体（镜体）：白体（镜体）：1，即表示全部反射辐射能。如表面磨光的铜，反即表示全部反射辐射能。如表面磨光的铜，反射率可达到射率可达到0.97黑体：黑体：1即物体全部吸收投射来的各种波长的热辐射能。即物体全部吸收投射来

4、的各种波长的热辐射能。固体、液体：固体、液体：透过率透过率=0 吸收率吸收率+反射率反射率=1固体和液体向外发射热辐射线和吸收投射固体和液体向外发射热辐射线和吸收投射来的热辐射线都是在物体表面进行的，因来的热辐射线都是在物体表面进行的，因而，其表面情况对热辐射的影响较大。而，其表面情况对热辐射的影响较大。（四）固体、液体与气体的热辐射特点（四）固体、液体与气体的热辐射特点气体：气体：气体的辐射和吸收是在整个气体容积内进行气体的辐射和吸收是在整个气体容积内进行的，气体容积发射的热辐射能也是整个容积的，气体容积发射的热辐射能也是整个容积内气体分子发射的热辐射能的总和。内气体分子发射的热辐射能的总和

5、。二、辐射能力与斯蒂芬波尔兹曼二、辐射能力与斯蒂芬波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)(Stefan-Boltzmann)定律定律(一一)黑体的辐射能力与斯蒂芬波尔兹曼定律黑体的辐射能力与斯蒂芬波尔兹曼定律物体在一定温度下，单位表面积，单位时间内所发物体在一定温度下，单位表面积，单位时间内所发射的全部辐射能（波长从射的全部辐射能（波长从0到到），称为该物体在该，称为该物体在该温度下的温度下的辐射能力（辐射能力（emissive power），以），以E表示。表示。E=Q/AE辐射能力，辐射能力，W/m2Q辐射能，辐射能，WA物体表面积，物体表面积，m2斯蒂芬波尔兹曼定律斯蒂芬波尔兹曼定

6、律（四次方定律）四次方定律）：Eb=T4Eb黑体的辐射能力，黑体的辐射能力，W/m2 斯蒂芬波尔兹曼常数斯蒂芬波尔兹曼常数，5.6710-8W/(m2K4)T黑体表面的热力学温度，黑体表面的热力学温度，KCb黑体的辐射系数，黑体的辐射系数，5.67W/(m2K4)4)100(TCEbb应用时，常表示为：应用时，常表示为：例例4-22试计算一黑体的表面温度分别为试计算一黑体的表面温度分别为20和和600时的辐射能力的变化。时的辐射能力的变化。24222412/32930)100(600/418)100(20mWTCEmWTCEbbbb时：时：时：时：0 020000200004000040000

7、600006000080000800001000001000001200001200001400001400001600001600001800001800000 05 51010151520202525T TT4T4结论：结论：同一黑体在不同温度下辐射能力变化很同一黑体在不同温度下辐射能力变化很大，在低温时，温度对辐射能力的影响大，在低温时，温度对辐射能力的影响较小，而高温时可成为主要的传热方式。较小，而高温时可成为主要的传热方式。（二）实际物体的辐射能力、黑度与灰体（二）实际物体的辐射能力、黑度与灰体1.实际物体的辐射能力实际物体的辐射能力在一定温度下，黑体的辐射能力最大。实际物在一定温度

8、下，黑体的辐射能力最大。实际物体的辐射能力体的辐射能力E与同温度下黑体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力Eb之之比称为该物体的比称为该物体的黑度黑度（blackness），以），以表示，表示，=E/EbE实际物体的辐射能力，实际物体的辐射能力，W/m2Eb 黑体的辐射能力，黑体的辐射能力，W/m2 黑度黑度444)100()100()100(,/TCETCETCEEEbbbb 或或 C实际物体的辐射系数，实际物体的辐射系数，C 5.67W/(m2K4)444)100()100()100(TCTCETCEbbb实际物体的辐射能力：实际物体的辐射能力：黑体的辐射能力：黑体的辐射能力：2.黑度黑度在

9、同一温度下，实际物体的辐射能力在同一温度下，实际物体的辐射能力E恒小于恒小于黑体的辐射能力黑体的辐射能力Eb,T2A1 A2=1对灰体对灰体:0bEEbEE 灰体灰体 黑体黑体 克希霍夫定律克希霍夫定律EEb(1-)EbEbE结论：结论：（1）任何物体的发射能力与吸收率的比值均）任何物体的发射能力与吸收率的比值均相同，且等于同温度下绝对黑体的辐射能力。相同，且等于同温度下绝对黑体的辐射能力。物体的辐射能力越强，其吸收率越大。物体的辐射能力越强，其吸收率越大。（2）=E/Eb 即同温度下，物体的吸收率与黑度在数值上即同温度下，物体的吸收率与黑度在数值上相等。相等。（）（），b，即在任何温度下，即

10、在任何温度下，各种物体中以绝对黑体的各种物体中以绝对黑体的发射能力为最大。发射能力为最大。（一）辐射传热速率的计算（一）辐射传热速率的计算四、两固体间的辐射传热四、两固体间的辐射传热)100()100(42412121TTACQ式中式中 Q Q1-21-2辐射传热系数；辐射传热系数；W WC C1-21-2总辐射系数；总辐射系数；W/(mW/(m2 2KK4 4)（与两壁面的黑度以（与两壁面的黑度以及黑体的辐射系数有关）及黑体的辐射系数有关）AA平面的传热面积；平面的传热面积；m m2 2（取其中较小的一个）（取其中较小的一个）角系数角系数(与两物体的形状、尺寸、相对位置以及与两物体的形状、尺

11、寸、相对位置以及距离有关距离有关)。从高温物体1传给低温物体2的辐射传热系数：角系数角系数:表示从表面表示从表面1 1发射的总辐射能（包括自发射的总辐射能（包括自身辐射和反射辐射）中，到达表面身辐射和反射辐射）中，到达表面2 2上上的分数。的分数。参数的计算：参数的计算：1.1.两个面积无限大（或很大）而距离很近的平行两个面积无限大（或很大）而距离很近的平行平壁，每个壁面所发射的辐射能全部投射到对方平壁，每个壁面所发射的辐射能全部投射到对方的壁面上。（辐射传热面积的壁面上。（辐射传热面积A=AA=A1 1=A=A2 2，1 1）1112121bCC式中，式中，C Cb b为黑体的辐射系数，为为

12、黑体的辐射系数，为5.76 5.76 W/(m2K4)2.2.两个面积大小有限且相等的平行平壁，每个壁两个面积大小有限且相等的平行平壁，每个壁面所发射的辐射能只有部分投射到对方的壁面上。面所发射的辐射能只有部分投射到对方的壁面上。（辐射传热面积（辐射传热面积A=AA=A1 1=A=A2 2，11）bCC21213.一物体被另一物体包围时的辐射一物体被另一物体包围时的辐射1)()11(1221121有正负之分有正负之分 AACCb讨论：讨论：1）很大的物体）很大的物体2包住物体包住物体1：bCC121 2）物体）物体2恰好包住物体恰好包住物体1：1112121 bCC3）情况）情况1和和2间的情

13、况：间的情况：)11(1221121 AACCb辐射传热面积辐射传热面积A=A1辐射传热面积辐射传热面积A=A1辐射传热面积辐射传热面积A=A1影响辐射传热的因素影响辐射传热的因素1.温度的影响温度的影响 T4，低温时可忽略，高温时可能成为主要方式低温时可忽略，高温时可能成为主要方式2.几何位置的影响几何位置的影响3.表面黑度的影响表面黑度的影响 ，可通过改变黑度的大小强化或减小辐射传热。，可通过改变黑度的大小强化或减小辐射传热。4.辐射表面间介质的影响辐射表面间介质的影响 减小辐射散热，在两换热面加遮热板（黑度较小的热减小辐射散热，在两换热面加遮热板（黑度较小的热屏）。屏）。4.5.4 4.5.4 高温高温设备及管道的热损失设备及管道的热损失对流散热：对流散热：)(ttAQWWCC辐射散热：辐射散热：4421)100()100(TTACQWWR令令=1)()100()100(4421ttAttttTTACQWWRWWWWR总热损失：总热损失：)()()(ttAttAQQQWWTWWRCRC式中式中 T对流对流-辐射联合传热系数，辐射联合传热系数，W/(m2.K)。(1)空气自然对流，当空气自然对流，当tW150 C时时平壁保温层外平壁保温层外)(07.08.9ttWT)(052.04.9ttWT(2)空气沿粗糙壁面强制对流空气沿粗糙壁面强制对流空气速度空气速度u5m/s时时