輻射換熱

熱輻射

輻射是電磁波傳遞能量的現(xiàn)象。熱輻射是由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電磁波輻射，是一種以電磁波形式傳遞熱量的傳熱方式。

熱輻射的電磁波是物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)激發(fā)出來(lái)的，其顯著特點(diǎn)是熱輻射可以在真空中傳播，并且具有強(qiáng)烈的方向性。只要物體的溫度高于0K，就會(huì)不停地把熱能變?yōu)檩椛淠埽蛑車(chē)臻g發(fā)出熱輻射；同時(shí)物體也不斷的吸收周?chē)矬w投射到它上面的熱輻射，并把吸收的輻射能重新轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。故熱輻射過(guò)程的熱量傳遞過(guò)程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)化。輻射換熱則是物體之間相互輻射和吸收的總效果。同時(shí)熱輻射的輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)，物體發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。

吸收比、反射比、透射比

當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時(shí)，一般會(huì)發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射、透射。在外界投射到物體表面上的總能量為Q中，一部分Qa被物體吸收，另一部分Qρ被物體反射，其余部分Qτ透過(guò)物體。按照能量守恒定律有

Q= Qα Qρ Qr,或 Qa/Q Qρ/Q Qτ/Q=1其中各能量百分比分別成為該物體對(duì)投入輻射的吸收比α、反射比ρ、透射比τ,也即α ρ τ=1。

把吸收比α=1的物體成為絕對(duì)黑體；把反射比ρ=1的物體成為鏡體或白體；把透射比τ=1的物體稱(chēng)為透明體。

鏡面反射、漫反射

輻射能投射到物體表面后的反射現(xiàn)象也和可見(jiàn)光一樣，有鏡面反射和漫反射的區(qū)分，這取決于表面不平整尺寸的大小，即表面粗糙度。

人工黑體

黑體是吸收比α=1的物體。它是一種科學(xué)假設(shè)的物體，現(xiàn)實(shí)生活中并不存在。為了在研究黑體輻射的基礎(chǔ)上，用修正系數(shù)的方法處理其他物體的問(wèn)題，提出了人工黑體的概念。

人工黑體是人工制造的近似黑體。選用吸收比小于1的材料制造一個(gè)空腔，并在空腔壁面上開(kāi)一個(gè)小孔，再設(shè)法使空腔壁面保持均勻的溫度，這時(shí)空腔的小孔就具有黑體輻射的特性。由于通過(guò)小孔進(jìn)入空腔的輻射能在空腔內(nèi)要經(jīng)過(guò)多次吸收和反射，最終從小孔反射出去的能量非常小，小孔就具有黑體表面的性質(zhì)。

實(shí)際物體與理想黑體的輻射特性之差別在于實(shí)際物體的光譜輻出度往往隨波長(zhǎng)做不規(guī)則的變化。

在熱輻射分析中，把光譜吸收比與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體稱(chēng)為灰體?；殷w與黑體的區(qū)別在于其吸收率小于1，但是灰體遵從黑體所遵從的有關(guān)輻射規(guī)律。

輻出度E以及光譜輻出度Eλ

輻出度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的全部波長(zhǎng)的能量總和，單位W/m^2。輻出度從總體上表征物體發(fā)射輻射能本領(lǐng)的大小。

光譜輻出度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)（包含某一給定波長(zhǎng)），物體的單位表面積向半球空間發(fā)射的能量，單位W/m^3。光譜輻出度Eλ按照波長(zhǎng)范圍描述物體發(fā)射輻射能的本領(lǐng)。

兩者的關(guān)系如下：

普朗特定律

普朗特定律揭示了黑體輻射能按照波長(zhǎng)的分布規(guī)律，即它給出了黑體光譜輻出度與波長(zhǎng)和溫度的依變關(guān)系。如下

在高溫測(cè)量技術(shù)中應(yīng)用普朗特定律可以解釋色溫的現(xiàn)象。當(dāng)溫度低于500°C時(shí)，由于沒(méi)有可見(jiàn)光輻射，人們看不到顏色；隨著溫度的升高，熱輻射移向較短的波長(zhǎng)，金屬將相繼呈現(xiàn)出暗紅-亮紅-橘紅等顏色，直到1300°C時(shí)呈現(xiàn)白熾狀態(tài)。

斯忒藩-波爾茲曼定律

將普朗特定律公式積分，即可得到斯忒藩-波爾茲曼定律(又稱(chēng)四次方定律)。如下式：

它說(shuō)明黑體輻出度正比例與熱力學(xué)溫度的四次方。

蘭貝特定律

蘭貝特定律描述了輻射能量按空間方向分布的規(guī)律。黑體輻射在空間不同方向的分布是不均勻的，法向方向最大，切線方向?yàn)榱恪?

輻射換熱是各種工業(yè)爐、鍋爐等高溫?zé)崃υO(shè)備中重要的換熱方式。常見(jiàn)的問(wèn)題有兩類(lèi)：固體表面間的輻射換熱，取決于輻射角系數(shù)F和黑度ε值；固體表面間夾有氣體的輻射換熱，除F和ε值外，還與氣體夾層厚度及其黑度有關(guān)。

輻射換熱投入輻射

單位時(shí)間內(nèi)從外界輻射到物體單位面積上的能量稱(chēng)為該物體的投入輻射。物體對(duì)投入輻射所吸收的百分?jǐn)?shù)稱(chēng)為該物體的吸收比。

輻射換熱光譜吸收比

物體對(duì)某一特定波長(zhǎng)的輻射能所吸收的百分?jǐn)?shù)稱(chēng)為光譜吸收比，也叫單色吸收比。

輻射換熱表達(dá)公式

基爾霍夫1849年提出實(shí)際物體的輻射和吸收之間的相對(duì)關(guān)系，即基爾霍夫定律。表達(dá)式如下：

該式說(shuō)明，在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，物體的吸收比等于它的發(fā)射率。

火焰的輻射和吸收是在整個(gè)容積中進(jìn)行的?；鹧嬉话阌呻p原子氣體 (N2、O2、CO)、三原子氣體(CO2、H2O、SO2)和懸浮固體粒子（炭黑、飛灰、焦炭粒子）所組成。其中N2和O2對(duì)熱輻射是透明的,CO等的含量一般很低，因此火焰中具有輻射能力的成分主要是 H2O、CO2和各種懸浮的固體粒子。對(duì)于燃油,發(fā)光火焰輻射主要靠炭黑；對(duì)于煤粉,發(fā)光火焰輻射主要靠焦炭粒子,發(fā)光火焰輻射力一般比透明火焰大2～3倍。計(jì)算輻射換熱通常要求得到火焰總黑度。它與平均有效射程和輻射減弱系數(shù)有關(guān)。各種形狀容積的發(fā)射氣體的平均有效射程可用下式近似計(jì)算其中Vg和Fg分別為氣體容積和界表面積，下標(biāo)"g"表示高溫氣體或火焰。對(duì)于三原子氣體和各種懸浮粒子，各自的輻射減弱系數(shù)均有相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式?；鹧娴目傒椛錅p弱系數(shù)K可近似地認(rèn)為等Kco2、Kh2o、K灰、K焦炭等項(xiàng)減弱系數(shù)之和。 根據(jù)埅和K 就可計(jì)算火焰的總黑。如近似地認(rèn)為火焰界面上εg處處相同，則火焰本身對(duì)外輻射總功率。在工程設(shè)計(jì)中，爐膛輻射換熱計(jì)算常按下述模型進(jìn)行：①假設(shè)爐內(nèi)各物理量如火焰和固壁溫度都均勻，計(jì)算結(jié)果也是某種平均值。這種模型比較粗糙,但計(jì)算簡(jiǎn)單;②考慮火焰和受熱面是非等溫的。常用的數(shù)學(xué)模型有赫太爾分區(qū)計(jì)算法、蒙特卡洛法和斯波爾丁通量法。前兩種計(jì)算法立足于聯(lián)合求解輻射換熱的積分方程，并且假設(shè)流動(dòng)和燃燒情況為已知；而通量法則是通過(guò)對(duì)過(guò)程的偏微分方程組作一定的簡(jiǎn)化，然后聯(lián)立求解方程組得出速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和熱流場(chǎng)。

實(shí)驗(yàn)表明，除了高度磨光的半球狀金屬表面的平均黑度為其法向黑度的 1.2倍外，其他工程材料的黑度值多可近似認(rèn)為與方向無(wú)關(guān)，而只與物質(zhì)種類(lèi)、表面溫度和表面狀態(tài)有關(guān)。①表面光滑的導(dǎo)體的黑度很小，基本上與溫度成正比；②介電質(zhì)的黑度比導(dǎo)體黑度高得多，且與溫度成反比；③大多數(shù)非金屬在低溫時(shí)的黑度都高于0.8;④鋼鐵的黑度隨氧化程度和表面粗糙度的不同有很大的變化。

輻射供熱是一種利用特質(zhì)內(nèi)部，如建筑物內(nèi)部的棚頂、墻面、地面或其它 表面進(jìn)行供熱的系統(tǒng)。供熱系統(tǒng)中，輻射能占總能量的50%以上的系統(tǒng)方可稱(chēng) 為輻射供熱系統(tǒng)。按熱源表面溫度將輻射分為低溫輻射、中溫輻射、高溫輻 射，這里所討論的是表面溫度低于80℃的低溫輻射供熱。按輻射板位置又分為 頂面式、墻面式、地面式和樓面式。 而輻射是一種高效的傳熱方式，比對(duì)流和導(dǎo)熱等傳熱方式快得多。

負(fù)荷與 節(jié)能使用輻射采暖,具有三個(gè)優(yōu)點(diǎn):

1 提高了壁面輻射溫度,從而增強(qiáng)了人的舒適感。2 室內(nèi)溫度分布較均勻,并且可以使用低溫?zé)嵩础?

3 直接使輻射熱作用于人體,可以降低室內(nèi)空氣溫度,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

當(dāng)物體溫度高于絕對(duì)溫度零度時(shí)，就會(huì)以電磁波的形式向外輻射能量。這種由于物體受熱的作用而發(fā)射的輻射能稱(chēng)之為熱輻射，因熱輻射而發(fā)生的熱量傳遞稱(chēng)為輻射換熱。輻射換熱與傳導(dǎo)和對(duì)流換熱不同，它不需傳熱物體間的直接接觸，也無(wú)需物體之間存在任何介質(zhì)（即可在真空中進(jìn)行）。當(dāng)兩個(gè)溫度不同的物體間進(jìn)行輻射換熱時(shí)，不僅高溫物體向低溫物體連續(xù)地輻射熱量，同時(shí)，低溫物體也不斷地向高溫物體輻射熱量，只是高溫物體輻射給低溫物體的熱量要多，其結(jié)果高溫物體將熱量傳給了低溫物體。如果系統(tǒng)內(nèi)兩個(gè)物體的溫度相等，這時(shí)它們之間熱量的輻射和吸收過(guò)程仍在不斷進(jìn)行，只不過(guò)是相互交換的熱量相等，所以輻射換熱的熱流量為零。

從理論上來(lái)說(shuō)，物體熱輻射的電磁波波長(zhǎng)可以包括從

輻射換熱現(xiàn)象是指各種工業(yè)爐、鍋爐等高溫?zé)崃υO(shè)備中重要的換熱現(xiàn)象。常見(jiàn)的問(wèn)題有兩類(lèi)：固體表面間的輻射換熱，取決于輻射角系數(shù)F和黑度ε值；固體表面間夾有氣體的輻射換熱，除F和ε值外，還與氣體夾層厚度及其黑度有關(guān)。故熱輻射過(guò)程的熱量傳遞過(guò)程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)化。輻射換熱則是物體之間相互輻射和吸收的總效果。同時(shí)熱輻射的輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)，物體發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。

輻射換熱是兩物體表面相互輻射的結(jié)果。因此，輻射換熱量的大小取決于兩物體的表面溫度、發(fā)射和吸收輻射的能力及相對(duì)位置等。人工黑體是人工制造的近似黑體。選用吸收比小于1的材料制造一個(gè)空腔，并在空腔壁面上開(kāi)一個(gè)小孔，再設(shè)法使空腔壁面保持均勻的溫度，這時(shí)空腔的小孔就具有黑體輻射的特性。由于通過(guò)小孔進(jìn)入空腔的輻射能在空腔內(nèi)要經(jīng)過(guò)多次吸收和反射，最終從小孔反射出去的能量非常小，小孔就具有黑體表面的性質(zhì)。

兩壁面之間，在單位溫差作用下，于單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位表面積傳遞的輻射換熱