辐射换热

两个温度不同且互不接触的物体之间通过电磁波进行的换热过程

辐射换热（radiation heat transfer）是指两个温度不同且互不接触的物体之间通过电磁波进行的换热过程，这种在物体表面之间由辐射与吸收综合作用下完成的热量传递是传热学的重要研究内容之一，自然界中的各个物体都在不停地向空间散发出辐射热，同时又在不停地吸收其他物体散发出的辐射热。

辐射换热简介

辐射换热是各种工业炉、锅炉等高温热力设备中重要的换热方式。常见的问题有两类：固体表面间的辐射换热，取决于辐射角系数F和黑度ε值；固体表面间夹有气体的辐射换热，除F和ε值外，还与气体夹层厚度及其黑度有关。

基本概念

热辐射

辐射是电磁波传递能量的现象。热辐射是由热运动产生的电磁波辐射，是一种以电磁波形式传递热量的传热方式。

热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的，其显著特点是热辐射可以在真空中传播，并且具有强烈的方向性。只要物体的温度高于0K，就会不停地把热能变为辐射能，向周围空间发出热辐射；同时物体也不断的吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并把吸收的辐射能重新转变为热能。故热辐射过程的热量传递过程中伴随着能量形式的转化。辐射换热则是物体之间相互辐射和吸收的总效果。同时热辐射的辐射能与温度和波长均有关，物体发射辐射取决于温度的4次方。

吸收比、反射比、透射比

当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射、透射。在外界投射到物体表面上的总能量为Q中，一部分Qa被物体吸收，另一部分Qρ被物体反射，其余部分Qτ透过物体。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别成为该物体对投入辐射的吸收比α、反射比ρ、透射比τ,也即α+ρ+τ=1。

把吸收比α=1的物体成为绝对黑体；把反射比ρ=1的物体成为镜体或白体；把透射比τ=1的物体称为透明体。

镜面反射、漫反射

辐射能投射到物体表面后的反射现象也和可见光一样，有镜面反射和漫反射的区分，这取决于表面不平整尺寸的大小，即表面粗糙度。

人工黑体

黑体是吸收比α=1的物体。它是一种科学假设的物体，现实生活中并不存在。为了在研究黑体辐射的基础上，用修正系数的方法处理其他物体的问题，提出了人工黑体的概念。

人工黑体是人工制造的近似黑体。选用吸收比小于1的材料制造一个空腔，并在空腔壁面上开一个小孔，再设法使空腔壁面保持均匀的温度，这时空腔的小孔就具有黑体辐射的特性。由于通过小孔进入空腔的辐射能在空腔内要经过多次吸收和反射，最终从小孔反射出去的能量非常小，小孔就具有黑体表面的性质。

黑体辐射

辐出度E以及光谱辐出度Eλ

辐出度：单位时间内，物体的单位表面积向半球空间发射的全部波长的能量总和，单位W/m^2。辐出度从总体上表征物体发射辐射能本领的大小。

光谱辐出度：单位时间内，单位波长范围内（包含某一给定波长），物体的单位表面积向半球空间发射的能量，单位W/m^3。光谱辐出度Eλ按照波长范围描述物体发射辐射能的本领。

两者的关系如下：

普朗特定律

普朗特定律揭示了黑体辐射能按照波长的分布规律，即它给出了黑体光谱辐出度与波长和温度的依变关系。如下

在高温测量技术中应用普朗特定律可以解释色温的现象。当温度低于500°C时，由于没有可见光辐射，人们看不到颜色；随着温度的升高，热辐射移向较短的波长，金属将相继呈现出暗红-亮红-橘红等颜色，直到1300°C时呈现白炽状态。

斯忒藩-波尔兹曼定律

将普朗特定律公式积分，即可得到斯忒藩-波尔兹曼定律(又称四次方定律)。如下式：

它说明黑体辐出度正比例与热力学温度的四次方。

兰贝特定律

兰贝特定律描述了辐射能量按空间方向分布的规律。黑体辐射在空间不同方向的分布是不均匀的，法向方向最大，切线方向为零。

辐射特性

实际物体与理想黑体的辐射特性之差别在于实际物体的光谱辐出度往往随波长做不规则的变化。

在热辐射分析中，把光谱吸收比与波长无关的物体称为灰体。灰体与黑体的区别在于其吸收率小于1，但是灰体遵从黑体所遵从的有关辐射规律。

基尔霍夫定律

投入辐射

单位时间内从外界辐射到物体单位面积上的能量称为该物体的投入辐射。物体对投入辐射所吸收的百分数称为该物体的吸收比。

光谱吸收比

物体对某一特定波长的辐射能所吸收的百分数称为光谱吸收比，也叫单色吸收比。

表达公式

基尔霍夫1849年提出实际物体的辐射和吸收之间的相对关系，即基尔霍夫定律。表达式如下：

该式说明，在热力学平衡状态下，物体的吸收比等于它的发射率。

固体辐射

实验表明，除了高度磨光的半球状金属表面的平均黑度为其法向黑度的 1.2倍外，其他工程材料的黑度值多可近似认为与方向无关，而只与物质种类、表面温度和表面状态有关。①表面光滑的导体的黑度很小，基本上与温度成正比；②介电质的黑度比导体黑度高得多，且与温度成反比；③大多数非金属在低温时的黑度都高于0.8;④钢铁的黑度随氧化程度和表面粗糙度的不同有很大的变化。

火焰辐射

火焰的辐射和吸收是在整个容积中进行的。火焰一般由双原子气体 (N2、O2、CO)、三原子气体(CO2、H2O、SO2)和悬浮固体粒子（炭黑、飞灰、焦炭粒子）所组成。其中N2和O2对热辐射是透明的,CO等的含量一般很低，因此火焰中具有辐射能力的成分主要是 H2O、CO2和各种悬浮的固体粒子。对于燃油,发光火焰辐射主要靠炭黑；对于煤粉,发光火焰辐射主要靠焦炭粒子,发光火焰辐射力一般比透明火焰大2～3倍。计算辐射换热通常要求得到火焰总黑度。它与平均有效射程和辐射减弱系数有关。各种形状容积的发射气体的平均有效射程可用下式近似计算其中Vg和Fg分别为气体容积系数均有相应的经验公式。火焰的总辐射减弱系数K可近似地认为等Kco2、Kh2o、K灰、K焦炭等项减弱系数之和。根据埅和K 就可计算火焰的总黑。如近似地认为火焰界面上εg处处相同，则火焰本身对外辐射总功率。在工程设计中，炉膛辐射换热计算常按下述模型进行：①假设炉内各物理量如火焰和固壁温度都均匀，计算结果也是某种平均值。这种模型比较粗糙,但计算简单;②考虑火焰和受热面是非等温的。常用的数学模型有赫太尔分区计算法、蒙特卡洛法和斯波尔丁通量法。前两种计算法立足于联合求解辐射换热的积分方程，并且假设流动和燃烧情况为已知；而通量法则是通过对过程的偏微分方程组作一定的简化，然后联立求解方程组得出速度场、浓度场、温度场和热流场。

辐射换热应用

辐射供热是一种利用特质内部，如建筑物内部的棚顶、墙面、地面或其它表面进行供热的系统。供热系统中，辐射能占总能量的50%以上的系统方可称为辐射供热系统。按热源表面温度将辐射分为低温辐射、中温辐射、高温辐射，这里所讨论的是表面温度低于80℃的低温辐射供热。按辐射板位置又分为顶面式、墙面式、地面式和楼面式。而辐射是一种高效的传热方式，比对流和导热等传热方式快得多。

负荷与节能使用辐射采暖,具有三个优点:

1 提高了壁面辐射温度,从而增强了人的舒适感。2 室内温度分布较均匀,并且可以使用低温热源。

3 直接使辐射热作用于人体,可以降低室内空气温度,从而实现节能。

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