1、第十七讲第十七讲5. 热辐射 (thermal radiation)5.1 热辐射的基本慨念热辐射的形式辐射速度辐射波长辐射强度辐射与吸收l 热辐射的形式热与电磁波两种能量形式可以相互转换，物体具有的热能以电磁波形式辐射，物体在接受辐射波过程中又将电磁波转化成热能任何温度高于绝对温度的物体都具有热辐射能力可以通过真空辐射，而且效率最高l 辐射速度与波长光速 3.0108 m.s-1波长频率cf0.1100 m10-510-410-310-210-1110102103104m rayX rayultravioletthermalradiationinfraredmicrowavevisible0
2、.380.76 m可见光热辐射l 表面辐射与容积辐射气体及透明固体与液体，容积辐射；一般不透明固体与液体，表面辐射（由表面约1um的分子运动产生辐射）。l 表面辐射的两个基本特性Directional distributionWavelengthEmissionblackbody5.2. 黑体辐射（blackbody radiation)理想物体无论辐射的波长如何，方向如何，能被黑体全部吸收；对于同一温度，同波长辐射能力最大，且与方向无关（diffuse emitter, 散射体）l 辐射与吸收反射吸收透射1吸收比反射比透射比黑体：1镜体反射漫反射镜体：10气体：或很小1,52( , )exp
3、(/) 1bCETCT0.1100110Visible 5800 K2000 K300 K32.9010.mTm K()m21(.)E W mm5.2.1 普朗克定律(Planck law)辐射力与波长、温度的关系辐射力与波长、温度的关系W.m-316213.742 10.cW m221.439 10.cm KmWiens displacement law5.2.2. Stanfan-Boltzman定律40( )bbEEdT 黑体辐射常数8245.67 10.W mK见表8-1（p360）黑体的总辐射力与黑体的总辐射力与温度的关系温度的关系当实际物体的发射率随波长变化时，需要用黑体辐射函数计
4、算21/500(0)441cTbbcdE deFTT黑体辐射函数 （T的函数）对于整个波长段的辐射0( , )( , )( )( )( )( )bbbT ET dE TTE TE T 4( )( )bE TE TT12312312312121(02)(01)2(03)(02)( , )( )( , )( , )( )bbbbbbbbbET dE TET dET dE TFFFF5.2.3. Lambert 定律d2/200sin2hddd drdsinrrsinrd 2sinndArd d 2sinndAdd dr 球面度经度角纬度角对于半球辐射强度与辐射方向的关系辐射强度与辐射方向的关系dA
5、cosdAd定向辐射强度W.m-2.sr-1.um-1dA上发出、辐射到dAn上的热流量( , , , )cosdITdAdd steradian2/2200sincosbbbdEIddIdA 对于黑体，与纬度、经度无关对于黑体，与纬度、经度无关定向辐射常数Lambert lawDiffuse emission黑体辐射力是定向辐射常数的倍( )cosbdI T dAd ( )cosbdI TdAd5.3. 表面辐射(surface radiation)对于实际物体，定向辐射能力与方向有关Directional distributionblackbody发射率或黑度发射率或黑度( , , , )
6、( , , , )( , )bITTIT 对于整个物体的单波长辐射黑度2/2002/200( , , , )cos sin( , )( , )cos sinbITd dTITd d 2/2001( , , , )cos sinTd d Diffuse漫射体11实际物体但与方向无关几种常见材料的法向发射率n温度（C)材料光泽铬1500.058CrNi合金52-10340.64-0.76光泽银200-6000.02-0.03耐火砖500-10000.8-0.9木材200.80-0.082雪00.8水0-1000.96玻璃38-850.94 如图所示，Ab、A1、A2为很微小表面（面积均为10-3
7、m2),其中Ab为黑体表面，垂直方向辐射强度I=7000 W.m-2.sr-1求辐射到表面A1及A2的热流量例题1AbA1A26045300.5m0.5mI=7000 W.m-2.sr-1例题例题200.80.425()m 某一温度为1600 K漫散射表面，发射率如图所示，求对应于全波长范围的发射率，并由公式计算总辐射热流量。04ET作业：8-20 (数据补充：波长范围1- ）5.4. 基尔霍夫定律(Kirchhoffs law)与灰体（gray body)光谱吸收比（spectral absorptivity)吸收某波长辐射能的比率bE AEA吸收比与发射率的关系吸收比与发射率的关系任何物体
8、对黑体辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率bE AEAbEE当辐射或表面为漫射体（diffuse),即辐强度I或 与方向无关时 单波传热平衡条件下第十八讲灰体（理想物体）：发射率及吸收比与波长无关12310灰体段工程上很多问题可以用灰体来处理,0,0( , )( , )bbET dET d同理：根据基尔霍夫定律例题如图所示，砖墙表面温度为500K，燃烧中煤层表面温度为2000K,设墙体为漫射体，发射率与波长关系如图，煤层至墙体的辐射可看成黑体，求：（1）墙面的发射率及辐射力；（2）墙体受煤层表面辐射的吸收比。coalbrickTc=2000KTb=500K0.50.81.510()m 0.1
9、5.5.气体辐射（gas radiation) p419-4285.5.1. 气体的定波长辐射特性0.1110100H2OO3ultravioletinfraredCO2辐射波长也在红外区域SunEsun2.652.804.154.4513.0 17.0mmm极性分子吸收波长范围与辐射波长范围对应O3, H2O, CO25.5.2. 气体的容积辐射特性平均射程平均射程3.6VsA32433.61.20.64rsrdr323.60.66bsbbbdsquarecube( , , )f T p sP424, 水蒸汽和二氧化碳的发射率计算先根据气体温度和综合参数ps,求出然后根据气体总压和分压进行校
10、正*(,)igif Tp s*iiiCi: CO2或水蒸汽两种情况，发射率一样大？P=2atm, pCO2/P =0.5对于同一T和sP=1atm, pCO2/P =1水蒸气与CO2共存情况（自学）为什么要进行校正？总压大，发射率增大（p424)5.5.3. 气体层对辐射的吸收dxxdIx0IdII dx 00IxIdIdxI 对于气体反射率011xe 吸收率与气体层厚度有关exp()oIxIexp()oIxI5.5.4. 黑体箱内气体的辐射传热TwTg44gggwqTT 气体传给箱壁的热流密度与温度、气体种类、压力、平均射程长度有关但可与发射率关联2220.45gH OH OH OwTCT2
11、220.65gCOCOCOwTCT其中，2H O2CO仍用教材中图31-34查出，2wH OgTpsT分别代替Tg2H Ops和用Tw2wCOgTpsT但需用Tw和和分别代替Tg和2H Ops不是灰体，发不是灰体，发射率与吸收率射率与吸收率一般不等一般不等水蒸气与二氧化碳混合情况的发射率见p426222222wH O COH OH OCOCOTCC根据pH2O/(pH2O+pCO2)修正2222wH O COH OCOT混合气体的吸收率例题例题9-8 (p427) 在直径为1 m, 长2 m的圆形烟道中，壁温为527 ，烟气温度为1027 ，压力为105 Mpa, 其中CO2占10%， 水蒸气
12、占8%，其余为不辐射气体，（1）试计算烟气对整个筒壁（处理成封闭园筒）的平均发射率；（2）求烟气对筒壁辐射的吸收比；（3）烟气与筒壁的热辐射量。自学5.6. 环境辐射（environmental radiation)5.6.1. 太阳辐射(solar radiation)太阳辐射造就地球上的宝贵能源太阳辐射造就地球上的宝贵能源l 化学能（chemical energy) 煤炭（coal)、石油 (petroleum)、天然气 （natural gas)、生物质(biomass)等）l 太阳能（solar energy)l 水力能（hydropower)l 风能（wind power)太阳辐射的
13、波长范围 0.23 m0.48mm对应辐射能最大的波长太阳温度（以黑体计算）32.9 10.mTm K362.9 106041()0.48 10TK太阳辐射能量（以黑体计算）484525.68 1060003.4 10 (.)ETW m太阳直径91.39 10dm2925243.14 (1.39 10 )3.4 102.06 10d E （W）辐射到地球外层的能量1.761017 W178241.76 108.5 102.06 10地球分享的能量比P3805.6.2. 地球辐射0.1110100H2OO3ultravioletinfraredSunEarthEsunEsun scale10-6
14、32.9 10.mTm KT=290 K地球的温度：吸收能量与发射能量的平衡如何？22()(4)earthsunearthearthRqRT21367 .sunwm279TK5.6.3. 温室效应greenhouse0.312345透射比（%）501004.8mm大气中CO2 浓度的影响辐射波长在红外区域2.652.804.154.4513.0 17.0mmm波长（um）物体表面对太阳能的吸收比与低温发射率光泽铝光泽铜老化铜铸铁红砖白色颜料沥青铺路石子材料0.150.180.650.940.750.12-0.160.900.29黑漆0.97(300K)0.040.030.750.210.930
15、.90-0.950.970.900.85 某一平板接受到太阳的照射的热流密度为700 W.m-2,环境温度为25C,分别计算平板为石子材料和沥青质材料时的表面平衡温度（不考虑对流传热）。思考题 如何对流传热系数为10 W.m-2.K-1式，情况又如何？第十九讲5.7. 固体表面间的辐射传热5.7.1.角系数（view factor)r21X12=12dA1dA2从到的辐射能的总辐射能11111211cosbbIdAdXE dA2212cosdAdr 1bbEI212122coscosdAXr112212coscosdAXr112221dA XdA X两个黑体表面间的净传热量1211122221
16、bbdAE XdA E X当两个黑体的温度相等时412112221()0dA XdA XT5.7.2 角系数的几个基本性质112221dA XdA Xl 归一性 (summation)l 相互对应性 （reciprocity)X12X13X14X11l 叠加性 (superposition)111nnnX对于两个比较大的表面1211221122coscos1AAdA dAXAr 5.7.3 角系数的计算方法l 直接积分法不同形状表面间的角系数例如图所示，平面Ai与直径为D的圆形面Aj相距为L，且AiAj，求Ai至Aj的角系数。iA12jA12LD122coscos1ijijijAAiXdAdA
17、AR 因为ijAA122coscosjijjAXdARr2222/2122202/22222220cos/()2()2()4jDijjADLrLXdArdrRrLrdrDLrLDLRl 代数分析法A1A2A3 例，如图所示封闭系统，设直面方向很长，垂直于纸面的两个面相对很小，可以忽略，计算三个面A1、A2和A3之间的角系数根据角系数的基本性质（对应性，归一性和叠加性）计算角系数的方法。112221113331223332121321233132111A XA XA XA XA XA XXXXXXX根据角系数的基本性质可得一下6个方程式121323111111AAAAAAA12211331233
18、2XXXXXXX000111B 1XA B1231212AAAXA几种几何形状的角系数见P401-402例题 一个加热炉，直径75mm, 长150mm, 内部空间热量只通过上方圆面向环境散热，环境温度为27 ，其他部分均良好绝热，热传递可以忽略，侧面和底部都可以看成黑体辐射，温度分别为1350 和1650 ，求稳定态时电炉的输出功率。d=75mmL=150mmT2=1650 T1=1350 q5.7.2. 具有灰体和漫射体性质物体间的辐射传热如图所示，两个不同温度表面构成以封闭系统，表面1至表面的辐射热流量怎么计算？A1, T1A2, T212空间热阻网络计算法空间热阻网络计算法GJTAG为到
19、达固体表面辐射力；J为固体表面辐射力(1)(1)bbbJEGEGEG(11bbAJAGJEAEAJA J ）净热流量(1)/bEJA 1bJEG看成空间热阻J1J212()111221221121121/()netJ A XJ A XJJA XEb1J1J2Eb21111A2221A1121A X空间热阻网络示意图空间热阻网络示意图例题，如图所示，两个不同温度表面构成以封闭系统，求表面1至表面的辐射热流量 （用空间阻力网络法计算）A1, T1A2, T212Eb1J1J2Eb21111A2221A1121A X121212121111222111bbEEAA XA44121212()1/1/1
20、TTqA12AAInfinite parallel planes如图所示，两个无限大平行平板(y和z方向相对于x方向很大）的辐射热流量Eb1J1J2Eb21111A2221A121212121111222111bbEEAA XA因为12121AAXT1T22121A XInfinite concentric cylinders12121/0AAr rrL441121122()1/(1/1)A TTqr r44112221122()1/(1/1)A TTqrr221212/AArrConcentric sphares441121122()1/(/)(1/1)A TTqAA以上几个公式的通式第讲4
21、 .换热器（heat exchanger)4.1换热器的分类间壁式(recuperators）：冷热流通过壁传热交换混合式：直接接触热交换间壁式套管式（double pipe)管壳式 (shell and tube)交叉流 (cross flow)板式 （plate)螺旋板 (spiral plate)Shell-tube heat exchanger4.2. 简单顺逆流换热器平均温差计算,cc im T, , ,h h imT,h oT, c oTParallel-flow heat exchanger, c iT,h iT,h oT, c oT1T2TTdA,hp hhcp ccdk Td
22、Adm cdTdm cdT ,()11()hchp hcp cdTdTdTdm cm c ,()11()hp hcp cdTkdATm cm c,21()()ln()h ih oc ic oTTTTTkAT 2121ln()TTkATT 2121ln()lmTTTTT, c iT,h iT,h oT, c oTCounterflow, c iT,h iT,h oT, c oT1T2T2121ln()TTkATT 2,1,h oc ih ic oTTTTTT逆流的对数平均值大于顺流的对数平均值4.3 多程换热器（Multipass)壳侧一程、管侧多程,lmlm cfTT 逆流时的对数平均温差ti
23、toTiT0管壳0iiittPTtiooiTTRtt0.212.0011壳测两程、交叉式的计算方法见p479-4804.4. 传热系数的计算11ooowioooiiiRAARRkhAh A管外表面传热系数管外污垢面积热阻肋效率管外表面积管内表面积管内表面传热系数管内污垢面积热阻壁管导热面积热阻1(1)()foftcfcNAAth mLmL AfftNAA4.5. 换热器的传热单元数法（the number of transfer units, NTU)换热器可能达到的最大热流量max,min(,)()hp hcp ch ic im cm cTT,max,()min(,)()hp hh ih o
24、hp hcp ch ic im cTTm cm cTT换热器效能 （Effectiveness),min(,)()hp hcp ch ic om cm cTT ,minmaxmin(,),(,),hp hcp chp hcp cm cm cfNTUmax m cm cCfNTUC,min(,)hp hcp ckANTUm cm c看顺流情况,min(,)hp hcp chp hm cm cm c,max,()min(,)()hp hh ih ohp hcp ch ic ih ih oh ic im cTTm cm cTTTTTT,min,maxmin(,)(,)hp hcp chp hhp h
25、cp ccp cm cm cm cCmax m cm cm cC,()11()hp hcp cdTkdATm cm c由,0,ln(1)hp hhc oh ic ihp hcp cm CTTkATTm Cm Cminminmaxmaxln 1(1)(1)CCNTUCCminmaxminmax1 exp11CNTUCCC效能是,min(,),(,)hp hcp chp hcp cm cm cfNTUmax m cm cP488-489ExampleHot exhaust gases, which enter a finned tube, cross flow exchanger at 300 a
26、nd leave at 100 , are used to heat pressurized water at a flow rate of 1 kg/s from 35 to 125 . The exhaust gas specific heat is approximately 1000 J/(kg.K), and the overall heat coefficient based on the gas-side surface area is kh=100 W/(m2.K). Determine the required gas-side surface area Ah using t
27、he NTU method. 复习迎考l基本概念（定义、物理意义、单位、物理现象等）l基本方法（传导速率方程、对流传热速率方程，辐射与吸收中的定律、质量守恒、动量守恒、能量守恒等）l 基本理论（边界层理论，相似理论，比拟方法，无量纲法等）l基本计算（温度分布、传热速率、能量多少等）重点：例题、思考题、作业。重点：例题、思考题、作业。chLBi02FlReuxuxPrpchlNu32gTlGrp241重中之重重中之重计算题重点范围：l传导（稳态与非稳态）稳定态：平板、圆柱体、球、串联稳定态：平板、圆柱体、球、串联热阻及传热计算，肋效率，内热源热阻及传热计算，肋效率，内热源非稳定态：集总容量法非稳
28、定态：集总容量法4Redmd xxphStc ul 对流（强制对流包括容器内外、层流与湍流及自然对流）传热（冷凝与沸腾黑体辐射计算；发射率波长、方向的关系；吸收比与黑体辐射计算；发射率波长、方向的关系；吸收比与发射率的关系；角系数性质；物体间的传热（简单情发射率的关系；角系数性质；物体间的传热（简单情况）况）l 辐射（黑体、灰体、气体）平板上边界层；平板上层流、对流判断，传热系数计算；平板上边界层；平板上层流、对流判断，传热系数计算；管内层流、对流判断管内层流、对流判断 ，传热系数计算；传热系数与局，传热系数计算；传热系数与局部阻力的关系计算；部阻力的关系计算；自然对流的计算自然对流的计算（过于复杂的公式不必死记）（过于复杂的公式不必死记）手机15921071254 (谢绝短信质疑-_-）办公室电话：64252853（现暂用64252730）王 杰联系方式
