化工原理：传热-2015-3热辐射

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1、4.4 热辐射热辐射4.4.1 基本概念基本概念4.4.2 辐射传热基本定律辐射传热基本定律4.4.3 两固体间的辐射传热两固体间的辐射传热4.4.4 影响辐射传热的因素影响辐射传热的因素4.4.5复合传热与设备热损失的计算复合传热与设备热损失的计算4.4.1 基本概念基本概念辐射能：辐射能：以电磁波形式传递的能量，其传递过程以电磁波形式传递的能量，其传递过程不需要通过介质。不需要通过介质。辐射能的来源：辐射能的来源：物体中物体中电子振动或激发电子振动或激发的结果。的结果。电磁波的范围：电磁波的范围：其波长范围为其波长范围为0，具体分为：，具体分为：X射线、紫外线、可见光、红外线和无线电波等。

2、射线、紫外线、可见光、红外线和无线电波等。任何物体，只要绝对温度不是零度，都会不停地以电磁波的任何物体，只要绝对温度不是零度，都会不停地以电磁波的形式向外界形式向外界辐射能量辐射能量。同时，又不断。同时，又不断吸收吸收来自其他物体的辐来自其他物体的辐射能。射能。辐射的基本概念辐射的基本概念3吸收吸收热热能能 低温物体低温物体热能高温高温物体物体辐射能流（热射线）辐射能流（热射线）GGRGDGA穿透穿透 与中间介质无关与中间介质无关而由电磁波传输而由电磁波传输反射反射 用冰制成的冷的透镜聚焦太阳的用冰制成的冷的透镜聚焦太阳的辐射热可使黑纸燃烧，并在发出辐射热可使黑纸燃烧，并在发出可见光的同时向外

3、可见光的同时向外辐射热能辐射热能高温物体的热能以高温物体的热能以电磁波的形式电磁波的形式传递给低温物体传递给低温物体 热辐射：物体由于热辐射：物体由于热的原因热的原因引起的电磁波辐射引起的电磁波辐射 热辐射热辐射 thermal radiation u物体不停地向空间物体不停地向空间发出发出热辐射，同时又不断热辐射，同时又不断地地吸收吸收其它物体发出的热辐射。其它物体发出的热辐射。u当物体向外界当物体向外界辐射的能量辐射的能量与其从外界与其从外界吸收的吸收的能量能量不相等，该物体与外界就不相等，该物体与外界就产生热量的传递产生热量的传递。热射线主要热射线主要0.11000.1100 mm，包括

4、部分紫外线、全部可，包括部分紫外线、全部可见光和红外线。见光和红外线。例：例：室温下呈黑色的铁棒在室温下呈黑色的铁棒在炉中加热时，颜色渐呈暗红、炉中加热时，颜色渐呈暗红、红、橙黄，您知道为什么吗？红、橙黄，您知道为什么吗？随着铁棒的加热，温度升高，其辐射能量最大的随着铁棒的加热，温度升高，其辐射能量最大的波长向短波方向移动，即经历了由远红外线、近红外波长向短波方向移动，即经历了由远红外线、近红外线到可见光区域，因而会呈现上述颜色变化。线到可见光区域，因而会呈现上述颜色变化。辐射能量与波长和温度有关辐射能量与波长和温度有关温度越高，波长越短温度越高，波长越短辐射通过低温区向人辐射通过低温区向人体

5、传热体传热 由于太空的超真空环境是天由于太空的超真空环境是天然的热绝缘体，使其高温外然的热绝缘体，使其高温外壁不易冷却，而壁不易冷却，而辐射几乎是辐射几乎是唯一的散热方式唯一的散热方式 人体与墙壁间的传热方式主要是辐射人体与墙壁间的传热方式主要是辐射传统工业中的辐射换热问题传统工业中的辐射换热问题 太阳能热水器是典型的利用辐射换热原理太阳能热水器是典型的利用辐射换热原理 辐射传热应用辐射传热应用不同物体之间相互辐射与吸收过程的综合结果不同物体之间相互辐射与吸收过程的综合结果-以辐射方式进行的物体间的热量传递以辐射方式进行的物体间的热量传递辐射辐射传热传热。(1)定义：定义：由热运动产生的，以电

6、磁波形式传递的能量由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量热辐射特点热辐射特点保温瓶的散热保温瓶的散热-保温瓶夹层中主要依靠辐射传热保温瓶夹层中主要依靠辐射传热 1）只要物体温度只要物体温度T0KT0K，物体就有辐射本领；，物体就有辐射本领；2 2）存在近程及远程效应）存在近程及远程效应(近在咫尺，远至天体近在咫尺，远至天体)；3 3）存在热动平衡（）存在热动平衡（吸收和发射吸收和发射）；）；4 4）在高温时更加重要，与温度成正比；）在高温时更加重要，与温度成正比；5 5）存在着）存在着吸收，反射与穿透；吸收，反射与穿透；6 6）物性）物性随波长和方向而随波长和方向而变；变；7 7）无须任何介质

7、，可以）无须任何介质，可以穿过真空和低温穿过真空和低温。辐射传热基本特点辐射传热基本特点:与导热和对流传热不同，辐射传热与导热和对流传热不同，辐射传热无需任何介无需任何介质质，所以不仅要研究相距很近的物体之间的辐射传热，所以不仅要研究相距很近的物体之间的辐射传热，有时还需要研究相距很远的物体（如太阳和地球）之有时还需要研究相距很远的物体（如太阳和地球）之间的辐射传热。间的辐射传热。在辐射传热过程中，不仅存在着在辐射传热过程中，不仅存在着能量的转移，能量的转移，还存在着能量形式还存在着能量形式的转换，即发射时由的转换，即发射时由热能先转化为热能先转化为辐射能辐射能，而被吸收时再由辐射能转化为热能

8、，而被吸收时再由辐射能转化为热能。辐射传热与导热、对流传热的不同点辐射传热与导热、对流传热的不同点 辐射力与其热力学温度的辐射力与其热力学温度的四次方成四次方成正比，因正比，因此，此，辐射传热在高温辐射传热在高温时显得更为重要。时显得更为重要。物体的物体的发射和吸收持性发射和吸收持性不仅与自身温度及表不仅与自身温度及表面状况有关，而且还随发射的面状况有关，而且还随发射的波长和方向波长和方向而异，因此，而异，因此，辐射传热远比导热和对流传热复杂。辐射传热远比导热和对流传热复杂。14辐射能的吸收、反射和透射能量守恒定律：能量守恒定律：DRAQQQQ 吸收率吸收率 反射率反射率 穿透率穿透率 AQQ

9、 ARQQ RDQQ D1 DRA 物体对热辐射的作用物体对热辐射的作用总能量总能量Q；被物体吸收；被物体吸收QA；被反射；被反射QR；穿过物体；穿过物体QD 反射辐射透过吸收QQAQRQD理想辐射模型理想辐射模型：黑体：黑体：A=1A=1 白体：白体：R R=1=1 透明体：透明体：D D=1=1黑体黑体能能全部吸收辐射能全部吸收辐射能的物体，的物体，A=1A=1自然界中无绝对黑体存在，有些自然界中无绝对黑体存在，有些物体如无光泽的黑漆表面、煤炭：物体如无光泽的黑漆表面、煤炭：A=0.96A=0.960.980.98，比较接近于黑体。，比较接近于黑体。黑体黑体A A最大，具有最大的辐射能力。

10、最大，具有最大的辐射能力。一一种科学假想的物体，种科学假想的物体，引入黑体引入黑体只是作为实际物体的比较标准。只是作为实际物体的比较标准。可以人工制造出近似的人工黑体可以人工制造出近似的人工黑体。图示窗口是黑体模图示窗口是黑体模型的一个实例型的一个实例 黑体模型黑体模型镜体镜体(绝对白体绝对白体)能全部能全部反射辐射能反射辐射能的物体，的物体，R=1。实际上镜体也是不存在的，但有些物体实际上镜体也是不存在的，但有些物体如表面磨光的铜，磨光的金子反射比几如表面磨光的铜，磨光的金子反射比几乎等于乎等于0.98，R=0.97，接近于白体。，接近于白体。透热体透热体能全部透过辐射能的物体，即能全部透过

11、辐射能的物体，即D=1D=1的物体。的物体。单原子和对称双原子构成的单原子和对称双原子构成的气体气体(H(H2 2、N N2 2、O O2 2和和HeHe等等)一般可视为透热体一般可视为透热体常温下常温下空气空气对热射线呈现透明的性质。对热射线呈现透明的性质。以相同吸收率以相同吸收率A部分吸收部分吸收0全部波长辐射能的全部波长辐射能的物体。物体。大多数大多数工程材料均可按灰体工程材料均可按灰体处理。处理。灰体的特点：灰体的特点：灰体为不透热体，即灰体为不透热体，即D=0或或AR=1吸收率吸收率A不随波长不随波长变化变化 灰灰 体体物体的物体的A、R和和D是和物体的性质、表面状况，所是和物体的性

12、质、表面状况，所处温度和投射辐射线的波长等有关，一般地：处温度和投射辐射线的波长等有关，一般地：多数固体和液体：多数固体和液体：不透热体，即不透热体，即D=0或或AR=1。不含颗粒的气体：不含颗粒的气体：不反射能量，即不反射能量，即R=0或或AD=1。u物体物体发射发射特定波长的能力称为特定波长的能力称为单色辐射能力单色辐射能力，用用E表示，单位表示，单位W/m2m。EddEElim1、辐射能力、辐射能力u物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所能发射出的物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所能发射出的全部波长范围的总能量，称为该温度下物体的全部波长范围的总能量，称为该温度下物体的辐射能

13、力辐射能力，用，用E表示，单位表示，单位W/m2。0dEE4.2.2辐射基本定律辐射基本定律2 普朗克普朗克(MPlanck)定律定律 普朗克定律揭示了普朗克定律揭示了黑体的辐射能力按照波长的分配规律，黑体的辐射能力按照波长的分配规律，即表即表示黑体单色辐射能力示黑体单色辐射能力Eb和波长和波长、热力学温度、热力学温度T之间的函数关之间的函数关系，计算式为系，计算式为：波长，波长，m；T 黑体的绝对温度，黑体的绝对温度，K；C1普朗克第一常数，普朗克第一常数，3.74310-16 m2；C2普朗克第二常数，普朗克第二常数，1.438710-2 mK。1251TcbecE250000246108

14、50001500035000200001000030000140012001000800600/m1.155106E,0/Wm-2 普朗克定律图示d.00EE力为此温度下黑体发射能连续变化，曲线下面积随图图 Planck Planck 定律的图示定律的图示黑体单色光谱辐射力随波长和温度的依变关系黑体单色光谱辐射力随波长和温度的依变关系School of Chemical and Energy Engineering,SCUT 博学博学 慎思慎思 明辨明辨 笃行笃行25000024610850001500035000200001000030000140012001000800600/m1.155

15、106E,0/Wm-2d110 1210 10210310410610 510 410 310 无无线线电电波波红红外外线线可可见见光光紫紫外外线线伦伦琴琴射射线线 射射线线Thermal radial mSchool of Chemical and Energy Engineering,SCUT 博学博学 慎思慎思 明辨明辨 笃行笃行),(,TfEb,bETmmT0，）（E 每一温度下，均有一波长每一温度下，均有一波长m使使Eb(光谱辐射光谱辐射力力)最大；最大；Tm8.2897维恩位移定律：黑体辐射函数黑体辐射函数 在实际中，有时需求出某一特定波长的辐射能在实际中，有时需求出某一特定波长的

16、辐射能量。即图中的在量。即图中的在 1 1和和 2 2之间的线下面积。黑体在波长之间的线下面积。黑体在波长1 1和和2 2区段内所发射的辐射力，如图所示：区段内所发射的辐射力，如图所示：图图 特定波长区段内的黑体辐射力特定波长区段内的黑体辐射力40TdEEbb 某一温度下曲线与横轴之间的面积即代表了该温度下的某一温度下曲线与横轴之间的面积即代表了该温度下的总辐射力总辐射力3 斯蒂芬斯蒂芬-波尔茨曼波尔茨曼(JStefan-D.Boltzman)定律定律 黑体的辐射能力与其表面温度的关系黑体的辐射能力与其表面温度的关系：0黑体的辐射常数，黑体的辐射常数，5.6710-8 W/(m2K4)C0黑体

17、的辐射系数，黑体的辐射系数，5.67 W/(m2K4)。说明说明黑体的辐射能力与其表面温度的四次方成正黑体的辐射能力与其表面温度的四次方成正比比-四次方定律。四次方定律。44051010012TCTEecEdEEobTcbbb灰体：灰体：C灰体的辐射系数，灰体的辐射系数，C=C0 物体的黑度物体的黑度04400100100EETCTCEE同一温度下，同一温度下，灰体的辐射能力总是小于黑体灰体的辐射能力总是小于黑体30的关系吸收率灰体发射能力AE A发射辐射能全部被B吸收。B发射辐射能发射辐射能：部分被A吸收-；部分被A反射-；01EA0101)1(EAER热平衡时，对灰体而言：热平衡时，对灰体

18、而言：吸收辐射能发射辐射能 011EAE 即：1EbAE0E0)1(EA4 克希霍夫克希霍夫(Kirchhoff)定律定律 A-灰体 B-黑体黑体物体的辐射能力物体的辐射能力E与吸收率与吸收率A之间的关系。之间的关系。E1E0A1E0(1A1)E0灰灰体体黑黑体体011011EAEEAE)(100400332211TfTCEAEAEAEAE 任何物体的任何物体的辐射能力与其吸收率辐射能力与其吸收率的的比值恒等于同温度下黑体的辐射能比值恒等于同温度下黑体的辐射能力，并且只和物体的绝对温度有关。力，并且只和物体的绝对温度有关。bEEA11变形：物体的吸收率物体的吸收率A A愈大，其辐射能力愈大，其

19、辐射能力E E也愈大；也愈大；A=A=，即，即灰体的吸收率在数值上等于同温度下该灰体的吸收率在数值上等于同温度下该物体的黑度物体的黑度。因此若测定出了物体的黑度，即可知其。因此若测定出了物体的黑度，即可知其吸收率和辐射能力。吸收率和辐射能力。但但A A、物理意义不同物理意义不同 ：A A：吸收率：吸收率，由其它物体发射来的辐射能可被该物体，由其它物体发射来的辐射能可被该物体吸收的分数；吸收的分数；：黑度：黑度，物体的辐射能力占黑体辐射能力的分数，物体的辐射能力占黑体辐射能力的分数因物体的因物体的A A测定比较困难，工程计算中常用测定比较困难，工程计算中常用代替。代替。4.4.3 两固体间的辐射

20、传热两固体间的辐射传热12E1R2E1R22R12E1R2R1E1R22R1E1R23R12E1R23R13E1R24R13E11、不考虑几何因素、不考虑几何因素面积很大，距离很近，两大平行灰面积很大，距离很近，两大平行灰体平板间的相互辐射。体平板间的相互辐射。42412121100100SqSTTC，则辐射传热速率为：若平行平板的面积均为 化工生产中常遇到的固体壁面可按灰体处理化工生产中常遇到的固体壁面可按灰体处理；2、考虑几何因素、考虑几何因素 当两壁面间距离与表面积之比不够小时，一壁面当两壁面间距离与表面积之比不够小时，一壁面发射的辐射能可能不能完全到达另一壁面时，引发射的辐射能可能不能

21、完全到达另一壁面时，引入一角系数入一角系数 进行修正，即：进行修正，即：42412121100T100TSCq：角系数：角系数 (总能量被壁面拦截分率总能量被壁面拦截分率)。=f=f(两壁面形状，大小，相对位置，距离等）两壁面形状，大小，相对位置，距离等）35 气体的热辐射气体的热辐射 气体气体：单、对称双原子气体（H2、O2、空气）近似透热体，透热体，无吸收、发射能力 多原子气体(CO2、H2O蒸汽)高温时具有很强发射和吸收能力。高温时具有很强发射和吸收能力。气体热辐射特点：气体热辐射特点：*选择性选择性 只发射和吸收某一波长范围的辐射能；*容积辐射特性容积辐射特性 吸收和发射在整个体积内进

22、行。气体发射能力：气体发射能力：400)100(ggggTCEE),(lPTfgg4.4.4 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；低温可忽略，高温可能成为主要方式；低温可忽略，高温可能成为主要方式 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，可通过改变 大小强化或减小辐射传热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（减小辐射散热，在两换热面加遮热板（小热屏）小热屏）37 同时存在两种以上传热方式的综合传热现象。例例：设备表面的热损失，对流对流 +热辐射热辐射 间壁

23、换热过程中，对流对流 +导热导热 (2)设备热损失计算设备热损失计算4.4.5 复合传热与设备热损失的计算复合传热与设备热损失的计算 (1)复合传热复合传热)()(辐射对流RcQQQ)(ttAQwwcc对流传热：4421)100()100(:TTACQwwR辐射传热)(ttAwwRtw环环境境 tcRttCwTTRw44)100()100(21辐射表面传热系数：热损失热损失：38RcT系数：对流辐射联合表面传热 经验关联式：经验关联式：空气自然对流时，空气自然对流时，平壁保温层外：圆管保温层外：)(07.08.9ttwT)(052.04.9ttwTwwTwwRcAttttAQ)()()(:热损

24、失空气沿粗糙表面强制对流时，空气沿粗糙表面强制对流时，空气流速 u5m/s T=6.2+4.2u 空气流速 u5m/s T=7.8u0.78 39(3)绝热层的临界半径绝热层的临界半径设稳态传热，管道外表面与环境间热损失为：RtTiiLrLrrtt00212lnhtit1R1tR2triro绝热层的分析示意图40maxrcr 热损失与绝热层外半径的关系有极大值时，QdrRd0)(0max:QQrTc时，保温层临界半径时，管道外半径cirr 时，管道外半径cirr 增加绝热层厚度，热损失一定减小。增加绝热层厚度，热损失可能增加，果。时，才一定起到保温效结论：管道外半径cirr 41保温层的选择：

25、保温层的选择：对需保温的管子，ri一定。如果要满足保温条件，应从、T两方面考虑，选择合适的保温层材质。绝热层的临界厚度为绝热层的临界厚度为：iccrrbr1r2r3圆管外的保温【例例】室内有一高和宽均为室内有一高和宽均为3m、黑度为、黑度为0.78的炉的炉门其温度为门其温度为227C，室温为，室温为27C。为了减少。为了减少辐射，在距炉门辐射，在距炉门50mm处加一块尺寸相同、处加一块尺寸相同、黑度为黑度为0.11的挡板。求炉门在放置挡板前、的挡板。求炉门在放置挡板前、后的辐射热。后的辐射热。S1=33=9m2，A1=1=0.78将已知数据代入上式，因此将已知数据代入上式，因此42411111

26、00100TTScAQoWQ2166010027327100273227967.578.044解：解：1、放挡板前，炉门对室内的辐射属于大面、放挡板前，炉门对室内的辐射属于大面积包小面积，积包小面积，2、放挡板后，对室内的热辐射是挡板与室内、放挡板后，对室内的热辐射是挡板与室内的相互辐射，也可用式的相互辐射，也可用式【4-86】计算，但是必计算，但是必须先求炉门的温度须先求炉门的温度Ti炉门与挡板之间的相互辐射属于两块平行平板炉门与挡板之间的相互辐射属于两块平行平板之间的辐射，可用式之间的辐射，可用式【4-87】计算计算11110010021424111AATTScQo因为，A1=1=0.78

27、,Ai=i=0.11所以所以444110062545.5111.0178.01100100273227967.5iiTTQ（1）挡板与室内的相互辐射，用式挡板与室内的相互辐射，用式【4-86】计算计算424100100TTScAQiioii因为因为 Si=S1=9m2，Ai=i=0.11。所以。所以8110061.54iiTQ（2）对于稳定传热过程，对于稳定传热过程，Q1=Qi联合求解式（联合求解式（1）和（）和（2）即得挡板的温度）即得挡板的温度 Ti=432 K将挡板温度代入式（将挡板温度代入式（2）得）得WQi15003.26761.58110043261.54因此，加挡板后辐射热减少的百分率因此，加挡板后辐射热减少的百分率%9321660150021660QQQi