《化工原理讲稿(上册)-应化第七章管式加热炉课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工原理讲稿(上册)-应化第七章管式加热炉课件（37页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第七章辐射传热与管式加热炉,第一节热辐射的基本概念,一、热辐射的特性 二、热辐射的吸收、反射和透过 三、黑体的定义 四、物体的辐射能力、辐射强度,在传递过程中不需要任何介质； 热辐射过程中不仅有热量的转移过程，而 且还有能量形式的转换； 任何物质，只要TK，均可辐射热量；,一、热辐射的特性,第一节热辐射的基本概念,辐射：用电磁波传递能量的过程,特点：,电磁辐射波谱：,辐射线名称 宇宙射线 伽马射线 伦琴射线 紫外线 可见光 红外线 无线电波,波长/m 110-7 110-110-5 110-5210-2 210-20.38 0.380.76 0.761103 110321010,热射线,第一节
2、热辐射的基本概念,二、热辐射的吸收、反射和透过：,定义：= Q/Q 吸收率 = Q/Q 反射率 = Q/Q 透过率,第一节热辐射的基本概念,吸收率、反射率和透过率,Q= Q+ Q+ Q 或 Q/Q + Q/Q + Q/Q=1,+=1,说明：,a. 凡是善于反射的物体就一定不能很好的吸收热辐射；,b.对热射线的反射和吸收有重大影响的，不是表面的颜色，而是表面的状况；,c.镜反射；漫反射,d.=1，=0，全反射体，又称绝对白体或镜体； =1，=0：透明体，如空气； =1，=0：黑体,第一节热辐射的基本概念,三、黑体的定义：,黑表面：能全部吸收投射到它表面上的热辐射的表面。,黑体：具有黑表面的物体，
3、称为绝对黑体，或简称 黑体，用下标“0”表示,说明：自然界中并不存在真正的绝对黑体； 黑体模型：,第一节热辐射的基本概念,四、物体的辐射能力、辐射强度：,物体的辐射能力E 定义：物体单位表面积、单位时间向半球空间所有方向发射的全部波长（=0）的总辐射能，称为物体的辐射能力又称半球辐射能力或自身辐射,W/m2,说明：E与表面的性质、温度有关：TE； 相同的温度下，黑体的辐射能力最大。,第一节热辐射的基本概念,定义：物体在至+的波段内的辐射能力,W/m3,说明：E反映了物体的辐射能力随（0-）的分布情况：,Ef（波长，T，表面状况）,第一节热辐射的基本概念,单色辐射能力E：,立体角：物体表面dA对
4、辐射面所张开的角度,立体角的大小为球面面积dA与球的半径R2的比值，单位为球面度，以Sr表示,第一节热辐射的基本概念,立体角和辐射强度,辐射强度：物体单位表面积、单位时间内向空间单位立体角所发射的全部波长的辐射能,W/(m2sr),说明：d物体向给定方向发射能量所占据的立体角，sr（球面度）；,E与I的关系为：,第一节热辐射的基本概念,第二节 黑体辐射的基本定律,一、 普朗克（Planck）定律 黑体辐射能力按波长的分布规律 二、 斯蒂芬-波尔兹曼（Stefan-Boltzman）定律 黑体辐射能力与温度的关系 三、 兰贝特（Lambert）定律余弦定率,一、普朗克（Planck）定律：,黑体
5、的单色辐射能力与波长及温度的定量关系：,式中：黑体辐射的波长，m； T黑体的绝对温度，K； C1、C2普朗克常数，C1=3.74310-16Wm2； C2=1.438710-2mK； E0黑体的单色辐射能力，W/m2。,第二节 黑体辐射的基本定律,讨论： 黑体的E0与表面形状无关，E0=f(,T)； 如图：当0或时，Eo0；同一波长下，TE0；,第二节 黑体辐射的基本定律,在全部波长范围内单色辐射能力有且只有一个最大值。,微分，令：,维恩（Wien）位移定律,故：黑体单色辐射能力的最大值随着其温度的升高向波长较短的一边移动。,第二节 黑体辐射的基本定律,可凭借火焰的颜色来判断火焰的温度：,太阳
6、表面：T6000K，可见光范围； 工业温度（约2000）：集中在=0.810m的红外线波段内。,第二节 黑体辐射的基本定律,二、斯蒂芬波尔兹曼(Stefan-Boltzman)定律：,黑体的全波长辐射能力 ：,积分后：,式中：0黑体辐射常数，0=5.6710-8W/(m2K4) C0=5.67,故：E0T，高温时不能忽略辐射传热。,第二节 黑体辐射的基本定律,三、兰贝特定律余弦定律：,内容：黑表面向任一方向发射的辐射强度等于法线方向上的辐射强度与法线方向与该方向夹角的余弦的乘积,I0n黑体的微元面积dA在法线方向上 的辐射强度，W/(m2sr)； 给定方向与法线方向的夹角，sr,第二节 黑体辐
7、射的基本定律,说明：,当=0时，I=0=I0n，辐射强度最大；当=90时，I=90=0；,I0n和E0的关系：,上式说明：E0为Ion的倍；,兰贝特定律又称余弦定律；,第二节 黑体辐射的基本定律,遵循兰贝特定律的表面称为兰贝特表面，黑体表 面就是一个兰贝特表面；,以上三个定律只适用于黑体。,第二节 黑体辐射的基本定律,第三节 固体的热辐射,一、实际物体与黑体的区别与联系 二、灰体 三、克希霍夫（Kirchhoff）定律,一、实际物体与黑体的区别与联系,实际物体的辐射能力不服从斯蒂芬波尔兹曼定律 自然界一切物体的辐射能力均小于同温度下黑体的辐射能力； 相对辐射能力：=E/E0，又称黑度，辐射率
8、影响因素： 与物体温度和表面性质（表面温度、表面状况等）有关； 恒小于1。,第三节 固体的热辐射,实际物体的单色辐射能力随温度和波长的变化不符合普朗克定律 物体的单色黑度 ： =E/ E0-又称单色发射能力 影响因素：f（T,，物体表面性质）； 恒小于1，黑体单色辐射能力最大。,第三节 固体的热辐射,实际物体对投入辐射能的吸收率1 单色吸收率： 在给定波长和入射角和下，一个实际表面吸收的能量与一个黑表面吸收的能量之比值。 说明：、(0，1)； 实验表明， 、 、 不仅与物体本身的性质有关，而且与投入辐射的波长及角度有关。,第三节 固体的热辐射,二、灰体,灰体定义 假如某种物体的单色辐射能力E与
9、同一温度下绝对黑体的单色辐射能力E0之比等于常数，即在所有波长下，物体的单色黑度等于常数，这种物体叫做灰体,灰体也是一种理想物体,第三节 固体的热辐射,一般工业温度范围(T2000)内，一般固、液态物体均可认为是灰体（气体除外），于是：, 灰体的E-曲线与黑体的E-曲线相似，二者在同一温度下的最大单色辐射能力都位于同一m处；,黑体是灰体的特例 ：= 1,讨论：,灰体是一个物理模型，符合灰体模型的表面叫做灰表面，灰表面符合兰贝特（Lambert）定律；,第三节 固体的热辐射,三、克希霍夫（Kirchhoff）定律,内容：假设一个温度为T1的物体，在一个温度为T2的黑体包壳内，则无论T1和T2是否
10、相等，该物体表面的单色黑度等于它的单色吸收率 ，即：=,证明：由该物体发射的辐射为： 被该物体吸收的辐射为： 假定该物体和包壳处于热平衡状态，则：qe=q 或 由T1=T2，则E0,1= E0,2，带入上式有：=,第三节 固体的热辐射,说明：对于许多物质，人们发现（或）与投射辐射的情况无关，即与投射温度T2无关。 故：无论T1和T2是否相等，均有=；,由、，则：,热平衡时：T1=T2，故=；,对于灰体：=,第三节 固体的热辐射,第四节 气体的热辐射,一、气体辐射与吸收的特点 二、烟气的黑度 三、烟气的吸收率,不同气体具有不同的辐射能力,单原子和分子结构对称的双原子气体，如惰性气体和氢、氮、氧等
11、，不具有吸收热辐射的能力，可看作透明体。 而三原子，多原子气体以及结构不对称的双原子分子，如CO2、H2O、SO2、CO、CH2 ，烃类和醇类等，则有相当大的辐射能力和吸收能力。,一、气体辐射与吸收的特点,第四节 气体的热辐射,气体辐射对波长有选择性,气体只在某些特定的波段光带内具有吸收能力。烟气中的CO2和H2O主要光带如下：,这些光带均位于可见光范围之外，所以，即使在高温下CO2和H2O也不能被人眼看见。,第四节 气体的热辐射,气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的,气体的辐射和吸收与气体所在的容器的形状和体积有关。 气体的辐射和吸收取决于气层厚度、气体的温度和分压。,定义平均辐射长度L=3
12、.5V/A ，又称有效气层厚度,第四节 气体的热辐射,气体是典型的非灰体物质,只有当气体温度和固体壁温度相同时气体的黑度和吸收率才会相等，若温度不相等，就不存在这种关系。同样普朗克定律定律和斯蒂芬波尔兹曼定律也不能成立。,第四节 气体的热辐射,二、烟气的黑度,CO2和H2O的黑度： ECO2 T3.5，EH2O T3 引入气体的黑度i： 0CO2= f（PCO2，L，Tg） CO2=CCO2 0CO2 ，P338：Fig7-8,9 0H2O= f（PH2O，L，Tg，P总） H2O=CH2O 0H2O ， P339：Fig7-10,11,第四节 气体的热辐射,烟气的黑度g： g=（CO2 +H2O）（1-） -烟气中光谱重叠的校正量， 2-5%； 烟气中如存在SO2，通常可计算在CO2组分中。,第四节 气体的热辐射,三、烟气的吸收率g,当TWTg时，g g，其关系可用下式表示：,式中： Tw固体壁温度，K； *CO2用Tw代替Tg，用PCO2 LTw/Tg代替PCO2 L，从图7-8，7-9查得的CO2； *H2O用Tw代替Tg，用PH2O LTw/Tg代替PH2O L，从图7-10，7-11查得的H2O；,烟气的吸收率：g =（CO2 +H2O）（1-）,第四节 气体的热辐射,
