热辐射及辐射传热

石油工程传热学石油工程传热学石油工程传热学第5章热辐射及辐射传热§5-1热辐射的基本概念§5-2黑体辐射的基本定律§5-3黑体表面间的辐射传热与角系数§5-4实际物体辐射的基本规律§5-5封闭系统中灰体表面间的辐射传热石油工程传热学§5-1热辐射的基本概念一、热辐射本质1、基本概念辐射：物体以电磁波向外传递能量的现象。热辐射:由于物体内部微观粒子的热运动状态改变，而将部分内能转换成电磁波的能量发射出去的过程。电磁波落到物体上，一部分被物体吸收，将电磁波的能量重新转换成内能。石油工程传热学2、特点：①不需要物体直接接触。可在真空中传递(最有效）②有能量的转化。辐射：辐射体内热能→辐射能吸收：辐射能→受射体内热能③只要T0K,就有能量辐射。高温物体低温物体双向辐射热能④物体的辐射能力与绝对温度的四次方成正比。⑤电磁波遵循c=νλ规律石油工程传热学3、电磁波谱由于起因不同，物体发出电磁波的波长也同。热辐射的波长主要位于0.10~1000μm的范围内。热射线：热辐射产生的电磁波石油工程传热学工业上一般物体(T2000K)热辐射的大部分能量的波长位于0.76~20μm。太阳辐射：0.1~20μm约定：除特殊说明，以后论及的热射线都指红外线。热射线：波普上热射线中红外线占优，某一具体物体的热辐射中，红外线热辐射并不一定也是占优的。紫外线0.1~0.38μm可见光0.38~0.76μm红外线0.76~1000μm近红外线0.76~1.4μm中红外线1.4~3.0μm远红外线3.0~1000μm石油工程传热学当热辐射投射到物体表面上时，与可见光一样，会发生吸收、反射和穿透三种现象。11QQQQQQQQQQ二、吸收比、反射比和透射比石油工程传热学对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：为研究辐射特性可提出以下理想辐射模型：黑体：α=1ρ=0τ=0；白体：α=0ρ=1τ=0；透明体：α=0ρ=0τ=11,01,0石油工程传热学对于大多数的固体和液体：1,0原因：热射线穿过固体和液体表面后，在很小的距离内就被完全吸收。其吸收和反射几乎都在表面进行，因此，物体表面状况对其吸收和反射影响很大。特例1：玻璃对可见光是透明体，对其他波长的热辐射，穿透能力很差——温室效应黑颜色的物体对可见光具有较强的吸收能力，白颜色则反射能力强石油工程传热学自然界和工程应用中，完全符合理想要求的黑体、白体和透明体虽然并不存在，但和它们根相象的物体却是有的。例如，煤炭的吸收比达到0.96，磨光的金子反射比几乎等于0.98，而常温下空气对热射线呈现透明的性质。但是，在分析实际物体表面的吸收、反射和透过特性的时候，必须非常谨慎地对待波长，尤其要注意不能以肉眼的直观感觉来判断某物体吸收比的高低。石油工程传热学三、辐射力和有效辐射辐射力：单位时间内物体单位辐射面积向外界（半球空间）发射的全部波长的辐射能，又称发射辐射，记为E，W/m2相同温度下，黑体的辐射力Eb最大，实际物体的辐射力E=εEb投射辐射：单位时间内投射到单位面积上的总辐射能，记为G，W/m2。石油工程传热学有效辐射自身射辐射E投入辐射被反射辐射的部分GG有效辐射：物体除了向外界发出发射辐射外，其它物体投射到该物体表面上的投射辐射还有部分被反射，发射辐射和反射辐射之和，称有效辐射，记为J，W/m2简化了实际物体间辐射传热的多次反射和吸收过程。石油工程传热学四、定向辐射度（1）可见辐射面积：一表面在某一方向上的可见辐射面积，即为该方向上可以看得见的辐射面积，是该表面在该方向上的投影。dAs=dAcosθ石油工程传热学（2）平面角θ：用圆周角定义θ=l/r定义：立体角为一空间角，即被立体角所切割的球面面积除以球半径的平方称为立体角，单位：sr(球面度)。2ddsinddcAr(3)立体角石油工程传热学定义：单位时间内，单位可见辐射面积在某一方向p的单位立体角内所发射的总辐射能（发射辐射和反射辐射），W/(m2.sr)ddcosdppLA(4)定向辐射度Lp：,,peprpLLL石油工程传热学漫发射表面：能向半球空间各方向发出均匀辐射度Le的发射辐射物体表面（黑体）。漫反射表面：若不论外界辐射是以一束射线沿某一方向投入还是从整个半球空间均匀投入，物体表面在半球空间范围内各方向都有均匀的反射辐射度Lr的物体表面（白体）。五、漫射表面漫射表面：若表面即使漫发射表面，又是漫反射表面，则该表面称漫射表面石油工程传热学一、黑体和黑体模型图5-6黑体模型§5-2黑体辐射的基本定律黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。石油工程传热学黑体性质黑体吸收能力最强，α=1黑体的辐射能力也最强，ε=1黑体表面是漫发射表面自然界中，真正的黑体不存在，但是吸收能力很强的物体也存在，烟炱和黑丝绒石油工程传热学烟炱烟炱是指从烟囱分离下来的或被烟道气冲刷出来而后落到烟囱周围地区的煤烟。烟炱的粒径一般小于0.5μm，甚至小于0.1μm。其成分中50%是碳（即炭黑）。由于它有很大的表面积，在大气中能被氧化，或表面积吸附了气体污染物（如二氧化硫、氮氧化物等）起催化氧化的作用。这种炭黑颗粒对二氧化硫和氮氧化物的催化氧化作用要比气相氧化作用分别高100倍和10倍。在重油锅炉的烟道气中含烟炱200-300mg/m3，在炉排上烧煤的煤炉中，因燃烧条件差，有更多的烟炱生成。烟炱可作炭黑生产，用于颜料、墨、油墨、油漆工业，也广泛用于橡胶的补强剂。soot亲油，厌水，不溶于水、酸和碱。是煤的挥发分在不完全燃烧或高温热解时的产物。是可吸入颗粒。汽车尾气中含有soot，soot形成有氧化、热分解、成核、合并、表面增长和凝聚六个过程。形成过程就是气相或液相碳氢化合物向固体弹劾的转变及重返气相物的过程。石油工程传热学光谱辐射力Eλ：单位时间内，单位波长范围内(包含某一给定波长)，物体的单位表面积向半球空间发射的能量，(W/m3)。E、Eλ关系:dEE0黑体一般采用下标b表示，如黑体的辐射力为Eb，黑体的光谱辐射力为EbλdEEd石油工程传热学二、普朗克Planck定律1)(512TcbecE式中，λ—波长，m；T—黑体温度，K；c1—第一辐射常数，3.742×10-16Wm2；c2—第二辐射常数，1.4388×10-2WK；1901年，普朗克在量子理论的基础上得到了黑体光谱辐射力Ebλ随波长λ和温度T变化的函数关系：石油工程传热学Planck定律的图示黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系石油工程传热学分析:⑴黑体的光谱辐射力随波长连续变化(光滑曲线)⑵λ→0或λ→∞，Ebλ→0⑶对任一波长，T↑,Ebλ↑⑷对任一温度，Ebλ存在最大值,Ebλmax,对应波长λmax,且随着温度T的增加，λmax变小，向左移动。⑸当T很小时，可见光份额很少，随着T增大(800K)，可见光份额才有所升高。常温下，实际物体的辐射主要是红外辐射。石油工程传热学三、维恩位移定律(1893年)max2898μmKT石油工程传热学,5800KT58002898mm5.0,2000KT20002898mm45.1,300KT3002898mm66.9应用举例石油工程传热学思考1、一铁块放入高温炉中加热，从辐射的角度分析铁块的颜色变化过程用它可测定太空星体表面温度，也可用来选择对特定地物的监测波段，如火灾检测。2、黑体一定是黑色的吗？3、节能灯原理？石油工程传热学三、Stefan-Boltzmann定律40)(51012TdecdEETcbb式中，σ=5.67×10-8W/(m2K4)，是斯蒂芬-波尔兹曼常数。描述了黑体辐射力随表面温度的变化规律。1879年Stefan实验，1884年Boltzman热力学理论得出；将Plank’sLaw积分即得。石油工程传热学21dEEbb黑体辐射函数定义：在0~λ的波长范围内黑体发出的辐射能在其辐射力中所占份额。图中的在1和2之间的线下面积。黑体在波长λ1和λ2区段内所发射的辐射力：石油工程传热学(0~)0(0~)4bbbbbEdEFET黑体辐射函数定义：在0~λ的波长范围内黑体发出的辐射能在其辐射力中所占份额，Fb(0~λ)。将Ebλ用普朗克定律代入得：0(0~)4bbbEdFFTT石油工程传热学波段辐射力:2211212121()40400(0)(0)2111()()bbbbbbbbEdFEdTEdEdEdTFFfTfT在λ1~λ2的波长范围黑体的波段辐射函数为：黑体辐射函数石油工程传热学四、Lambert定律定向辐射强度的定义图可以证明：黑体辐射的定向辐射强度与方向无关。()LL常量它说明黑体的定向辐射力随天顶角呈余弦规律变化。Lambert定律也称为余弦定律。黑体辐射能在空间不同方向上的分布不均匀：法向最大，切向最小（为零）。石油工程传热学注意：1）对服从Lambert定律的表面，辐射强度与辐射力的关系。2）定向辐射强度与方向无关的表面——漫射表面3）对黑体辐射强度的理解：相当于“灯泡亮度”，即从不同方向看过去，其亮度都是一样的。石油工程传热学黑体辐射定律小结１、Stefan-Boltzmann定律：描述黑体在某一温度下向半球空间所有方向辐射的全部波长的能量，即对方向和波长都积分的结果。２、Planck定律：描述黑体在某一温度下向半球空间所有方向辐射的能量沿波长分布的规律，即只对方向积分，但研究的是某一波长。３、Lambert定律：描述黑体在某一温度下所辐射的全部波长的能量沿半球空间方向上的分布规律，即只对波长积分，但研究的是某一方向。对黑体而言，辐射强度是常数。石油工程传热学任意放置的两个黑体表面:——面积－A1、A2——温度－T1、T2如何计算它们的传热量？§5-3黑体表面间的辐射传热与角系数石油工程传热学表面1发出的辐射能－Eb1A1表面2发出的辐射能－Eb2A2二者相减是不是它们之间的换热量？为什么？石油工程传热学在表面面积、温度确定的条件下，表面1发出的辐射能未必全部落到表面2上，同样表面2发出的辐射能未必全部落到表面1上表面相对位置不同，黑体发出的辐射能落到对方上的数量是不同的——因为表面是向其上的半球空间发射的石油工程传热学两个表面之间的辐射换热量与两个表面之间的相对位置有很大关系表面相对位置的影响a图中两表面无限接近，相互间的换热量最大；b图中两表面位于同一平面上，相互间的辐射换热量为零。石油工程传热学一、角系数同理，表面2发出的辐射能中落到表面2上的百分数称为表面2对表面1的角系数，记为X2,1。角系数是进行辐射换热计算时空间热阻的主要组成部分。角系数：把表面1发出的辐射能中落到表面2上的百分数称为表面1对表面2的角系数，记为X1,2。石油工程传热学二、角系数的性质研究角系数的性质是用代数法（代数分析法）求解角系数的前提。假定：所研究的表面是漫射的在所研究表面的不同地点上向外发射的辐射热流密度是均匀的石油工程传热学1、角系数的相对性1,2222,11121XEAXEAbb，当T1=T2时，净辐射换热量为零，即Eb1=Eb2则两个表面间角系数的相对性的表达式：11,222,1AXAX两个黑体表面间进行辐射换热，表面1辐射到表面2的辐射能为A1Eb1X1,2，表面2辐射到表面1的辐射能为A2Eb2X2,1，两黑体表面间的净辐射换热量为：由于角系数是纯几何因素，与是否黑体无关，所以相对性也适用于其它漫射表面。石油工程传热学2、角系数的完整性1,13,12,11,1nXXXX角