气体的热辐射·气体的黑度和吸收率计算举例

X1,3 X 3,2
辐射总热阻： R 1.51 24 24 11.5 53
辐射换热量：
q1,2 b
T14 T24 53
5.67108 5234 3284
53
67.66
W/m2
q1,3 b
T14 T34 26.5
67.66
0 , 1
⑵ 对于不含颗粒的气体，整个气体容积：
0 , 1
2、黑体模型
吸收比为1的物体。
3、定向辐射强度
在某给定辐射方向上，单位时间内、单 位可见辐射面积、在单位立体角内所发射全
部波长的能量，用 I 表示。
4、光谱定向辐射强度
在波长 附近的单位波长间隔内的定
2、斯蒂芬-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann ）
Eb
0
Eb d

bT
4
W/m2
Eb

Cb
T 100
4
W/m2
b ——黑体辐射常数， b 5.67 108 W/ m2 K4
Cb ——黑体辐射系数， Cb 5.67
W/ m2 K4
E

Eb

Cb

T
4

100
W/m2
物体表面光谱定向发射率等于该表面对同温 度黑体辐射的光谱定向吸收比。
, T , T
T T
T T
T T
无条件成立 漫射表面 灰表面 漫灰表面
2、在两块黑度为0.4的平行板之间插入一块黑 度为0.04的遮热板，当平行板表面的温度分 别为250℃和55℃时，试计算辐射换热量和 遮热板温度？并画出网络图。（不计导热和 对流

对流传热
综合传热
课件目录
教案
1
4.4.2热辐射的基本定律
硅 酸 盐 工 业 热 工 基 础
4.4.2.1普朗克辐射定律
（1）辐射能力和辐射强度
物体每单位表面积，在单体时 间内向半球空间辐射出去的波 长从0～∞范围内的总能量 符号：“E”
辐射能力
单位：W/m2
辐射强度
物体每单位表面积，在单体时 间内向半球空间辐射出去的波 长从λ～dλ范围内的辐射能力为 dE，dE与波长间隔的比值
因为管道表面积F1相对于厂房面积F2来说是很小
F1 0 F2
ε
12≈ε 1
12 1
T 4 T T T Qnet ,12 12 C0 [( 1 ) 4 ( 2 ) 4 ] 1 F1C0 [( 1 ) 4 ( ) ]F1 100 100 100 100
T T ql 1C 0 [( 1 ) 4 ( 2 ) 4 ]d 100 100
4.4辐射传热 硅 酸 盐 工 业 热 工 基 础
4.4.1辐射传热的基本概念
4.4.1.1辐射传热的本质和特点
辐射
物体以电磁波的方式向外传递能量的过程
电磁波谱
对流传热
综合传热
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1
硅 酸 盐 工 业 热 工 基 础
热辐射 热射线 辐射传热
由于热的原因而发生的辐射
取决于温度
能被物体吸收并转变成热能的部分电磁波 物体之间相互辐射和吸收热过程的总效果
空间热阻
1 12 F1
黑休辐射传热 的电热网络图
E01 E02
对流传热
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1
4.4.3.3灰体间的辐射传热

高温测量中的应用：由于黑体辐射的特性，它被广泛应用于高温测量领域，如高温炉 温度的测量和校准等。
测量原理：通过比较黑体辐射和实际物体的辐射，可以推算出实际物体的温度，从而 实现对高温物体的精确测量。
测量精度：由于黑体辐射的特性，这种方法测量的精度较高，误差较小。
黑体辐射在等离子体诊断中的应用
黑体辐射的原理：黑体辐射是一种物理现象，其原理是热辐射的普朗克定律。黑体能够完全吸 收外来辐射，同时自身也会产生辐射。
黑体辐射在等离子体诊断中的优势：黑体辐射技术具有非侵入性、高灵敏度、高精度和高可靠 性等优势，因此在等离子体诊断中得到了广泛应用。
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反之亦然
黑体辐射：黑 体辐射是理想 化的物体，能 够完全吸收并 再辐射电磁波
03 黑体辐射的原理
黑体辐射的念
黑体辐射是指物 体在热平衡状态 下，以辐射形式 发射能量
黑体辐射的辐射 谱是连续的，且 与温度有关
黑体辐射的发射 率等于吸收率， 即吸收的能量全 部转化为辐射能 量
黑体辐射是理想 化的模型，实际 物体在吸收和发 射能量时存在一 定的差异
吸收是辐射和物 质相互作用的重 要方式之一，对 物质的状态和性 质有重要影响。
在黑体辐射中， 吸收是指黑体完 全吸收入射的电 磁辐射，并将其 转化为热能的过 程。
辐射和吸收的关系
辐射：物体以 电磁波的形式 向外传递能量
吸收：物体吸 收电磁波的能 量并转化为其 他形式的能量
关系：辐射和 吸收是相互依 存的，没有辐 射就没有吸收，
辐射和吸收的物理规律
辐射和吸收是能量传递的两种方式，它们在物理过程中是相互依存的。
辐射过程是指能量以电磁波的形式向周围空间传播的过程；吸收过程是指 物质系统吸收外来辐射的能量，使之转化为其他形式的能量的过程。

• 只有燃烧无传热，燃烧产生的热量全部用来加热烟气，烟气所 能达到的温度，称为理论燃烧温度；
• 只有传热无燃烧，完全服从辐射传热的规律。
– 采用火焰的平均温度代替火焰的真实温度； – 用炉膛出口烟温作为定性温度； – 略去对流传热的影响； – 炉墙对辐射传热的影响放到角系数中一并考虑，略去
炉墙散热的影响（用保热系数表示）。
一、炉内辐射传热公式 • 炉内火焰和水冷壁之间的辐射传热量（1kg计算燃料
计的炉内辐射传热量）
QR
qR F Bcal
,
kJ / kg
– F炉内水冷壁的吸收表面积，m2；
– Bcal锅炉的计算燃料消耗量，kg/s；
qR
0 (T14
1
T24 ) , 1 1
syn 2
kW / m2
– 定义syn为火焰综合黑度。
三、炉内火焰黑度
计算火焰黑度或吸收率时，考虑烟气中三原子 气体、灰分颗粒和焦炭颗粒。
第九章 炉内辐射传热计算
四、入射辐射和有效辐射
物体的入射辐射G：半球范围内从各个方向以各种波 长进入该物体单位面积的辐射能的总合，kW/m2。
物体的有效辐射：包括物体的自身辐射和物体接受入 射辐射后的反射辐射
J Eb (1 )G, kW / m2
第九章 炉内辐射传热计算
• 炉内辐射换热就近似为两个灰体之间的辐射换热
– 包围炉膛有效容积的炉墙面，以水冷壁中心线所包围 的平面；
– 与水冷壁相切的假想平面，即火焰的辐射面，也就是 水冷壁接受火焰辐射的面积。
第九章 炉内辐射传热计算
qR
0 (T14 T24 )
1 1 1
,
1 2
kW / m2
– 设计计算：根据合理选定的炉膛出口烟温，确 定炉内所需布置的受热面积。

1 F3φ 32
1− ε 2 ε 2 F2
E10
J1
J3
E03
J3
J2
E20
qnet1,2
E1,0 − E2,0 = 1 1 1 + + 2( − 1) ε1 ε 2 ε3
当安放 ε 3 = 0.8 的遮热板 时：
⎡ 273 + 600 4 273 + 20 4 ⎤ qnet1,2 = × ⎢( ) −( ) ⎥ 1 1 1 100 100 ⎦ + + 2×( − 1) ⎣ 0.8 0.8 0.8 = 1.08 × 104 W / m 2
思路同A 首先画出热阻网络图：
1 − ε1 ε 1 F1
E10 J1 Q12
F1T1 J1 ε1
F 2T 2 J 2 ε2
1 F1φ 12
J2
1−ε2 ε 2 F2
E20
其次写出传热量公式：
E10 − E 20 Q12 = 1 − ε1 1 1− ε2 + + ε 1 F1 F1φ12 ε 2 F2
G
J＝E+ RG ＝εE0＋ RG ＝εE0＋（1—A）G
εE0
RG J
2、辐射换热网络求解方法 （1）表面网络单元
根据 J＝εE0＋RG＝εEb＋（1—A）G 将A＝ε代入，则 J＝ε =
J − εE 1 − ε
0
（1）
RG J εE0
灰体表面单位时间单位面积辐射换热量为 Q = ( J − G ) F （2） 将（1）式代入（2）式
J − εE 0 J − εJ − J + εE 0 εE 0 − εJ Q = (J − )F = =( )F 1− ε 1− ε 1− ε

① 因灰体A<1→在灰体间的辐射传热中，辐射能多次被吸收、被反射→A、R；
② 由于物体的形状及大小、相互间的位置与距离等因素影响→引入角系数φ。
（φ ：一物体表面辐射的总能量落到另一物体表面的分率）
1
2
1
2
1 2
1 2
(2) 两无限大灰体平行平壁间辐射传热计算q1-2
推导假设：
两大平壁→从一壁面发出的辐射能可全部投射到别一壁面上， φ=1；
物体的A、R、D→其大小取决于： 物体的性质； 表面状况； 温度； 投射辐射线的波长。
灰体——能以相同吸收率吸收所有波长范围辐射能的物体； 特点： A与辐射线波长无关，即物体对投入辐射的吸收 率与外界无关；
不透过体，A+R=1 →工业上常见固体材料(0.4～ 20 μm)。
(3) 辐射传热
物体之间相互辐射与吸收辐射能的传热过程。
③ 热射线的特点：
与可见光一样，服从反射与折射定律。 在均质介质中→直线传播； 在真空、多数气体中→完全透过； 在工业上常见的多数固体or液体中→不能透过。
(2)热辐射对物体的作用——A、R、D
当热辐射的能量投射在某一物体上时，其总能量Q： 被吸收QA； 被反射QR； 穿透物体QD。
① 黑体、镜体、透过体、灰体 理想物体，作为实际物体一种比较标准→简化辐射传热计算。
Ebλ T3
式中： Ebλ——黑体的单色辐射能力，W/m2；
T2
T —— 黑体的绝对温度，K；
T1
C1—— 常数，其值为3.743×10-16，W·m2；
C2—— 常数，其值为1.4387×10-2，m·K。
λ
从图中可见：
① 对应于每一温度T→均为一条能量分布曲线；

εg＝εH2O＋εCO2－∆ε，一般∆ε不超过2～4％，工程计算可忽
略。
§4 综合传热
将几种传热方式同时作用的过程称为综合传热，它是一 个较为复杂的过程。 1）窑炉空间的热气体通过辐射、对流方式将热量传递给 窑墙内表面； 2）再由传导传热的方式将热量传递到外表面； 3）热量以对流和辐射方式传向周围空间。 Q=αc(tw-tf)F+εsC0[(Tw/100)4-(Tf/100)4]F 换算成对流换热方程式： Q=αc(tw-tf)F+αr(tw-tf)F = αt(tw-tf)F αt(总换热系数)=αc(对流换热系数)+αr (辐射换热系数)
1. 普朗克定律
表达式：
E0λ=C1λ-5/(eC2/λT - 1)
当λ= 0，E0λ= 0，波长增加时E0λ随 之增大，当波长增大到一定值时，
E0λ达到最大值，之后随波长增加
又逐渐减小。故存在一个极值E0λ， 对应最大值的波长λmax与温度T 之间由维恩定律确定： λmax T= 2.9×10-3 m· K；
例 钢管长度3m，直径为70mm，管壁温度T1为500K，将
其放置于截面为0.3×0.3m2的砖槽内，槽内壁温度T2为 300K，求该钢管的辐射热损失。 解：设钢管壁面为1面，砖壁面为2面。
根据公式，钢管与砖壁之间的辐射换热量为
Q12 =εsC0[(T1/100)4-(T2/100)4]F1 由于砖槽包围钢管 Φ12 = 1， Φ21= F1/F2(= 0.07×3×π/0.3×3×4),
克希荷夫定律的推演
但是对于灰体， 其单色黑度ελ不随 波长发生变化，且等 于全辐射的黑度ε。 由图可知，灰体的单 色吸收率Aλ与波长无 关，灰体的吸收率没 有选择性，只取决于 表面状态和温度。

查图得：
CCO2 = 1.0
CH2O = 1.05
Δεg = 0.02
g
C 0 CO2 CO2
CH2O
0 H2O
1 g
= ( 1×0.09 + 1.05×0.068 )×( 1 – 0.02 ) = 0.158
（2）吸收率
TW = 527 + 273 = 800(K)
pCO2
L
TW Tg
0.073105 800 1300
0.045105(Pa.m) 0.044(atm.m)
pH
2O
L
TW Tg
0.0584105 800 0.036105(Pa.m) 0.036(atm.m) 1300
查图得：
εCO2* = 0.088
εH2O* = 0.085
CO2
CO2
2. 气体的吸收率αg不等于同等温度下的黑度εg
3. 在加热炉中，投入辐射来自气体的包壳壁面，这些壁 面近似于黑体或灰体，它的辐射光谱取决于壁面温度 TW，所以CO2和H2O气的吸收率也与TW有关。
六 CO2和H2O气的吸收率
实验表明，二氧化碳和水蒸气的黑度与吸收率之间有如下关系
CO2
CCO
2
* CO2
dIλ,x = - kλ Iλ,x dx
三 气体辐射规律
ห้องสมุดไป่ตู้
dI I,L ,x
I I ,0 ,x
L
k dx
0
ln I ,L I ,0
k L
贝尔定律：
贝尔定律表明单色辐射在吸收性介质中传播时其强度按指数递减。
,L
I ,L I ,0
ek L ,L
,L 1 ,L 1 ekL

三个非凹表面组成的封闭系统
A1 X 1, 2 A2 X 2,1 A1 X 1,3 A3 X 3,1 A2 X 2,3 A3 X 3, 2
（忽略垂直方向两端辐射能的逸出）
辐射传热 Radiative heat transfer
14.4 角系数的定义、性质不计算 角系数的计算 直接积分法
2
吸收比小于1，且存在 对投入辐射的反射
辐射传热 Radiative heat transfer
14.5 被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热
1
被透热介质隔开的两黑体表面间的辐射换热
1, 2 A1 Eb1 X 1, 2 A2 Eb 2 X 2,1 ( Eb1 Eb 2 ) 1 / A1 X 1, 2
辐射传热 Radiative heat transfer
14.4 角系数的定义、性质不计算
即便其它条件一致，两物体间的辐射换热量随表面的相对位置丌同而存 在较大的差异。（教材图14-13）
Why
角系数定义：表面1发出的辐射能落到表面2上的百分数称为表面1对表面2 的角系 数X1,2 “发出” — 包含表面1自身的辐射和反射的辐射； 落到” — 丌管表面2是否能够吸收；
14.5 被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热
2
被透热介质隔开的两漫灰表面间的辐射换热 漫灰表面吸收不发射辐射能的特点 有效辐射J 的概念
投入辐射 G： 单位时间投射到单位表面积的总辐射能。
有效辐射 J：单位时间离开单位表面积的总辐射能，包括自 身辐射和反射辐射。
J1 E1 1G1 1Eb1 (1 1 )G1
14.5被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热
2
被透热介质隔开的两漫灰表面间的辐射换热

0.66
第二光 4.8～
带
8.5
3.7
4.01～ 4.8
0.79
第三光 带
12～25
13
12.5～ 16.5
4.0
第三页，共五页。
任3 辐射传热
〔三〕气体的黑度和吸收率
单色辐射：
A1eKPS
厚度为S的气体层所有的辐射： A1eKPS
〔四〕气体的辐射能力
烟气的黑度：
CO2 H2O
气体容积的辐射线平均行程S： S 3.6 V
第五页，共五页。
F
增加火焰黑度的方法叫做“火焰渗碳〞。
〔五〕气体与固体之间的辐射热交换
Q
1
5.67 1
1
T气 100
4
T壁 100
4
F壁
壁 气
第四页，共五页。
内容总结
〔一〕气体的辐射和吸收。1不同的气体，其辐射和吸收辐射能的能力不同。3在气体中 ，能量的吸收和辐射是在整个体积内进行的。气体吸收定律的表达式，即比尔定律。任务3 辐 射传热。λ1—λ2。波长μm λ1—λ2。水蒸气和二氧化碳的辐射和吸收光带。厚度为S的气体层所 有的辐射：
任务3 辐射传热
四 气体与固体间的辐射热交换
〔一〕气体的辐射和吸收 特点：
1不同的气体，其辐射和吸收辐射能的能力不同。
气体的辐射是由原子中自由电子的振动引起的。
2气体的辐射和吸收，对波长具有选择性。
气体只能辐射和吸收某一定波长间隔中的辐射能。
3在气体中，能量的吸收和辐射是在整个体积内进行的。
〔二〕气体吸收定律
Ex E，x＝0 eK x
气体吸收定律的表达式，即比尔定律
第一页，共五页。
任务3 辐射传热