第六节 辐射传热4-6-1 基本概念和定律一 . 基本概念

1. 热射线

110 1210 10 210 310 410610 510 410 310

无线电波红

外线

可见光

紫外线

伦琴射线

射线

热射线

电磁波谱波长 m

约为 0.4-600 m

2. 吸收、反射和透射

QA

Q QR

QD

Q=QA +QR +QD

具有实际意义的波长范围为 :0.4~20 m

3. 黑体 镜体 ( 白体 ) 透热体 灰体 A=1 R=1 D=1 A+R=1

灰体 : 以相同的吸收率 , 部分的吸收由 0到∞所有波长范围辐射能的物体 . 实际物体可被看作灰体 .

普朗克定律 : 描述黑体的单色辐射能力 , 揭示了黑体辐射能力按照 波长的分配规律 .

二 基本定律1. 物体的辐射能力 E 与普朗克定律E: 一定温度下 , 物体在单位表面积、单位时间内发射的全部波长的总能量 . W/m2

单色辐射能力 : 在相同条件下 , 物体发射的特定波长的能量 EΛ.

定义式 : E 与 EΛ 的关系 :

110 1210 10 210 310 410610 510 410 310

无线电波红

外线

可见光

紫外线

伦琴射线

射线

热射线

电磁波谱波长 m

2. 斯蒂芬 - 波尔茨曼定律 ( 黑体总辐射能力与绝对温度的关系 )

又称四次方定律

辐射传热的结果 : T1 > T2

3. 克希霍夫定律 ( 任意物体的辐射能力与它的吸收率之间的关系 )

灰体 黑体

绝热系统

壁 1 可以是任何壁 , 所以 :

灰体辐射能力 : E=AEb ∴

当两壁温度相等时 : (T1 = T2)

表明 :

(1) 任何物体的辐射能力与其吸收率的比值 ,

恒等于同温度下黑体的辐射能力 , 并只和 温度有关 , 与物体的性质无关 .

(2) 善于吸收辐射能的物体 , 也善于发射辐射能 .

(3) 在一定温度条件下 , 黑体具有最大的辐射能 力和吸收率 .

4. 物体的黑度 ( 反映灰体接近于黑体的程度 , 可比较灰体间辐射能力的大小 .)定义 : 在同一温度下 , 灰体的辐射能力与黑体的辐射能力之比 .

即 :bE

E 与物体的性质、温度及表面情况有关，由实验测定。

4

ob 100

TC E E

实际物体的辐射能力计算：

可见：同温度下，物体的 A 和在数值上相等，但意义完全不同。 ：表示灰体发射的辐射能占同温度下黑体发射的分数；A ：表示外界投入的辐射能可被物体吸收的分数。（气体辐射 A≠ ）

4-6-1 基本概念和定律（回顾）

4-6-1 基本概念和定律一 . 基本概念1. 热射线2. 吸收、反射和透射3. 黑体 镜体 ( 白体 ) 透热体 灰体二 基本定律1. 物体的辐射能力 E 与普朗克定律2. 斯蒂芬 - 波尔茨曼定律 ( 黑体辐总射能力与绝对温度的关系 )

3. 克希霍夫定律 ( 任意物体的辐射能力与它的吸收率之间的关系 )

4. 物体的黑度 ( 反映灰体接近于黑体的程度 , 可比较灰体间辐射能力的大小 .)

4-6-2 两固体间的辐射传热

4-6-2 两固体间的辐射传热一 . 两个较大的平行灰体壁面 ( 间距很小 ) 之间的相互辐射

T1 > T2

E1

E2

(1-A1)

E2

1 2

A1E2

1 2E2

E1

(1-A2)

E1

A2E1

E1

E1 E2

(1-A1) E2 (1-A2) E1

E2

A2E1A1E2

本身辐射有效辐射吸入辐射反射辐射

E1 = E1 + (1-A1) E2 (a)

E2 = E2 + (1-A2) E1 (b)

辐射传热量 :

q 1-2 = E1 - E2 (W/m2)

E1 = E1 + (1-A1) E2 (a)

E2 = E2 + (1-A2) E1 (b)

辐射传热速率 :

q 1-2 = E1 - E2 (W/m2)

由 (a),(b) 两式可得 :

2121

2111 AAAA

E )A-(1 EE

2121

1222 AAAA

E )A-(1 EE

2121

12212-1 AAAA

AE-AE q

又由

4

ob 100

TC E E

和 A=

得 :

42

41

21

42

41

21

o2-1 100

T

100

TC

100

T

100

T

111 C

q

42

41

212-1 100

T

100

TSC Q传热速率 :

二 . 两个灰体辐射传热速率的一般表达式几何因素 ( 称角系数 ):

表示从一个物体表面辐射的总能量被另一个物体表面所截获的分数 .

传热速率 :

42

41

212-1 100

T

100

TSC Q

221112 S S —— 从 i 物体表面辐射的总能量被 j 物体表面所截获的分数 .

ij

1 n11211

讨论 :

1. 角系数的性质

相对性 :

完整性：2. 角系数的计算

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4-6-1 基本概念和定律一 . 基本概念1. 热射线 2. 吸收、反射和透射 3. 黑体 , 镜体 ( 白体 ), 透热体 , 灰体二 基本定律1. 物体的辐射能力 E 与普朗克定律2. 斯蒂芬 - 波尔茨曼定律 ( 黑体辐总射能力与绝对温度的关系 )3. 克希霍夫定律 ( 任意物体的辐射能力与它的吸收率之间的关系 )4. 物体的黑度 ( 反映灰体接近于黑体的程度 , 可比较灰体间辐射能力的大小 .)4-6-2 两固体间的辐射传热一 . 两个较大的平行灰体壁面 ( 间距很小 ) 之间的相互辐射

42

41

212-1 100

T

100

TSC Q辐射传热量 :

二 . 两个灰体辐射传热速率的一般表达式

辐射传热量 :

42

41

212-1 100

T

100

TSC Q

继续

习题

4-6-3 对流和辐射的联合传热 ( 主要指固体壁面与环境间 )

对流传热速率 : )( ttSQ wwC

辐射传热速率 :

42

41

212-1 100

T

100

TSC Q )( ttS wwR

tt

100

T

100

TC

w

42

41

21

R

T

总传热速率 : )()()( ttSttSQQQ wwTwwRRC

—— 对流 - 辐射的联合传热系数 估算式

传热过程数学描述

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间壁换热器的传热过程数学描述

热传导过程数学描述

辐射传热过程数学描述

单层平壁 多层平壁

多层圆筒壁

单层圆筒壁

返回

334 brr

334 b2dd 4

4

33

3

传热速率微分方程 dTCWdtCWdStTKdQ phhpcc )(

dTCWdtCWdStTKdQ phhpcc )( （或 ）

平均推动力法 -NTU 法

S

PWC

KSNTU

间壁换热器的传热过程数学描述1 do do bdo 1

= +Ri + +Ro+ K idi di dm o

np

80i

i

cud

d0230

.

.管程流体

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1. 有一套管换热器长 10m ，管间用饱和蒸气加热，空气在一定流量下由管内流过，温度可升至某指定温度。现将空气流量增加一倍，并近似认为加热面壁温不变，问套管加热器需加长几米，气体温度可达到原指定温度？假定空气在管内流动处于湍流状态，忽略管壁热组。

2. 某列管换热器，用 100℃水蒸气将物料由 20℃加热至 80 ℃，传热系数 K=100 W/(m2 . )℃ 。经半年运转后，由于污垢的影响，在相同条件下物料出口温度仅为 70℃。现欲使物料出口温度仍维持在 80℃，问加热蒸气温度应取何值？

3.冷、热流体在套管换热器中进行无相变的逆流传热，管内、外两侧对流传热系数的数量级相近，问若增加加热流体进口温度 T1 时，Q 、 T2 、 t2 将如何变化？

PWC

KSNTU

4. 长度均为 l 的三根不同材质粗细均匀的棒，并联传热，各棒两端的温度均为 t1 、 t2 （ t1 t2 ）。各棒的截面积分别为 S1 、 S2 、 S 3 ，导热系数为 1 、 2 、 3 。求：（ 1 ）三棒组成的传热系统的总热组；（ 2 ） 2 S2 较 1 S1 、 3 S 3 大的很多时，单位时间的传热量为多少？（假设热量只沿棒的轴向传递）

5. 在一新的套管式换热器中，冷却水在 252.5mm 的内管中流动，以冷凝环隙间的某蒸气。当冷却水流速为 0.4m/s 和 0.8m/s 时，测得基于内管外表面的总传热系数分别为 Ko=1200W/m2.℃和 Ko´=1700W/m2. ℃ ，水在管内为湍流，管壁得导热系数为 45W/m. ℃，水流速改变后，可认为环隙间蒸气冷凝的传热系数不变。试求：（ 1 ）当水流速为 0.4m/s 时，管壁对水的对流传热系数为多少？ （ 2 ）若操作一时期后，水流速仍保持为 0.4m/s ，但测得的 K 值比操作初期下降 10% ，试分析原因，并说明此时蒸气的冷凝量是否也下降 10% ？