传热过程基础--辐射传热
晨怡热管
2008-11-9 0:20:12
1. 基本概念和定律
—1.1 热辐射
—1.2 热辐射对物体的作用
—1.3 黑体、镜体、透热体和灰体
2. 辐射传热
3. 辐射传热基本定律
—3.1 辐射能力
—3.2 普朗克定律
—3.3 斯蒂芬-波尔茨曼定律
—3.4 克希霍夫定律
热辐射是热量传递的三种基本方式之一，特别是高温时，热辐射往往成为主要的传热方式。一些加热炉和锅炉中的燃烧加热，高温管道和设备、发动机、火焰燃烧等与周围环境或设备的热量交换等均与辐射传热有关。
| 1. 基本概念和定律 |
| ——1.1 热辐射 |
| ——物体由于本身温度或受热而引起内部原子的复杂激动，产生交替变化的电场和磁场，就会对外发射出辐射能并向四周传播。这种能量是以电磁波的形式进行传递，在一定波长范围内显示为热效应，称为热辐射。当热辐射能量投射在另一物体表面上时，可部分或全部地被吸收，重新转变为热能。 |
| ——电磁波的波长范围从零到无穷大，但能被物体吸收而转变为热能的辐射线主要为可见光（0.4～0.8μm ）和红外线（0.8～20μm）两部分，即波长在0.4～20μm之间，统称为热射线。但只有在很高的温度下，才能觉察到可见光线（波长为0.4～0.8μm）的热效应。 |
| ——理论上讲，任何物体只要温度在绝对零度以上，都能进行热辐射，但只在高温时才起决定作用。 |
| ——1.2 热辐射对物体的作用 |
| ——热射线和可见光一样，同样具有反射、折射和吸收的特性，服从光的反射和折射定律，在均一介质中直线传播，在真空和有些气体中可以完全透过，而在固体和液体中则不能透过。根据这些特性，设投在某物体上的总辐射能，总有一部分能量被吸收，一部分能量被反射，其余部分能量穿透过物体。 |
| ——1.3 黑体、镜体、透热体和灰体 |
——— 黑体（绝对黑体）：能全部吸收辐射能的物体，即A＝1的物体。自然界中无绝对黑体存在，但有些物体如无光泽的黑漆表面，A＝0.96～0.98，比较接近于黑体。引入黑体只是作为实际物体的一种比较标准，黑体A最大，也具有最大的辐射能力。 |
| ——— 镜体（绝对白体）：能全部反射辐射能的物体，即R＝1的物体。实际上镜体也是不存在的，但有些物体如表面磨光的铜，R＝0.97，接近于镜体。 |
| ——— 透热体：能全部透过辐射能的物体，即D＝1的物体。单原子和对称双原子构成的气体（H2、N2、O2和He等）一般可视为透热体；多原子和不对称双原子气体则能有选择地吸收和反射某一波长范围的辐射能。 |
| ——— 灰体：以相同吸收率A部分吸收0～∞全部波长辐射能的物体。大多数工程材料均可按灰体处理。因而灰体的特点是： |
| ————★ 灰体为不透热体，即D=0或A＋R＝1 |
| ————★ 吸收率A不随波长k变化 |
| ——物体的A、R和D是和物体的性质、表面状况，所处温度和投射辐射线的波长等有关，一般地： |
| ——— 多数固体和液体：不透热体，即D＝0或A＋R＝1。 |
| ——— 气体：不反射能量，即R＝0或A＋D＝1。 |
| 上述： |
| ———A=物体的吸收率 |
| ———R=物体的反射率 |
| ———D=物体的投过率 |
| 2. 辐射传热 |
| ——物体在向外发射辐射能的同时，也会不断地吸收周围其它物体发射的辐射能，并将其重新转变为热能，这种物体间相互发射辐射能和吸收辐射能的传热过程称为辐射传热。若辐射传热是在两个温度不同的物体之间进行，则传热的结果是高温物体将热量传给了低温物体，若两个物体温度相同，则物体间的辐射传热量等于零，但物体间辐射和吸收过程仍在进行。 |
| 3. 辐射传热基本定律 |
| ——3.1 辐射能力 |
| ——物体只要具有一定温度（T>0K）就会不断向空间辐射出各种波长的辐射能。 |
| ——物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所能发射出的全部波长范围的总能量，称为该温度下物体的辐射能力，用E表示，单位W/m2。 |
| ——确定物体的辐射能力先需确定物体辐射某一波长的能力，物体发射特定波长的能力称为单色辐射能力，用Eλ表示，单位W/m2·μm。Eλ 的大小不仅与波长 λ 及温度有关，而且与物体的性质有关。 |
| ——3.2 普朗克定律 |
| ——普朗克定律揭示了黑体的辐射能力E按照波长 λ 的分配规律。即表示黑体单色辐射能力和波长、热力学温度之间的函数关系。黑体的辐射系数=5.67 W/(m2·K4)。 |
| ——在不同温度下，每个温度有一条能量分布曲线。在指定温度下，黑体辐射各种波长的能量是不同的。但在某一波长可达到最大值。在不太高的温度下，辐射主要集中在波长为0.4～0.8μm的范围内。 |
| ——3.3 斯蒂芬-波尔茨曼定律 |
| ——斯蒂芬-波尔茨曼定律揭示了黑体的辐射能力E与其表面温度T的关系。它说明了黑体的辐射能力与其表面温度的四次方成正比，故又称为四次方定律。 |
| ——实验证明：斯蒂芬-波尔茨曼定律也可以应用到灰体。 |
| ——不同灰体的辐射系数值不同，它取决于物体性质，表面状况和温度，且总是小于黑体的辐射系数，因此在同一温度下，灰体的辐射能力总是小于黑体，其比值称为物体的黑度。物体的黑度取决于物体的性质、温度以及表面状况（表面粗糙度及氧化程度），是物体本身的特性，与外界情况无关，一般通过实验测定。 |
| ——因而只要知道物体的黑度，就可通过斯蒂芬-波尔茨曼定律求得该物体的辐射能力。 |
| ——3.4 克希霍夫定律 |
| ——克希霍夫定律揭示了物体的辐射能力E与吸收率A之间的关系。它表明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，并且只和物体的绝对温度有关。 |
| ——根据克希霍夫定律： |
| ——— 物体的吸收率A愈大，其辐射能力E也愈大； |
| ——— 由A＝E/Eb与式ε＝E/Eb比较，A＝ε，即灰体的吸收率在数值上等于同温度下该物体的黑度。因此若测定出了物体的黑度，即可知其吸收率和辐射能力。但A、ε物理意义不同： |
| ————A：吸收率，表示由其它物体发射来的辐射能可被该物体吸收的分数； |
| ————ε：黑度，表示物体的辐射能力占黑体辐射能力的分数。 |
| ——因物体的A测定比较困难，工程计算中常用 ε 代替。 |
| ——工业上常遇到两固体间的相互热辐射，可近似按灰体处理，故较复杂。两固体间辐射传热的净传热量与两物体的温度、形状、相对位置以及物体本身性质有关。 |
| ——许多化工设备或管道的外壁温度常常高于周围环境的温度，因此热量将由壁面以对流和辐射两种形式散失。为减少热量散失需进行隔热保温，因此在保温时必须要计算散失的热量，其散热量应为对流传热和辐射传热两部分之和。 |
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（全文完）
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| 〖说明〗本文依据部分高校的相关教科书的有关内容编写。如需进一步的信息，请参考各高校的教科书。 |
责任编辑: banye
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