第五节热辐射

第五节热辐射 辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。热辐射：任何物体，只要其绝对温度不为零度，都会不停地以电磁波的形式向外界辐射能量；同时，又不断吸收来自外界其他物体的辐射能。当物体向外界辐射的能量与其从外界吸收的辐射能不相等时，该物体与外界就产生热量的传递。这种传热方式称为热辐射。热辐射线：电磁波的波长范围极广λ=0—∞，其中，能被物体吸收，而转变为热能的辐射线称为热辐射线。λ=0。38—100μm之间的可见光和红外线两部分辐射线，其中，可见光λ=0。4—0。76μm的辐射线仅占很小一部分，只在高温下才能觉察其热效应。辐射传热：自然界中，除透体外，所有的物体在温度为绝对零度以上时，都会不停地向四周发出辐射能，同时又不断地吸收来自外界物体发出的辐射能。辐射和吸收两过程的综合结果，造成不同物体间的能量传递，称为辐射传热。当物体与周围物体温度相同时，辐射传热量虽等于零，但辐射与吸收过程仍不停进行。

第五节热辐射 热辐射线性能：热射线和可见光一样，同样具有反射、折射和吸收的特性。服从光的折射、和反射定律，在均一介质中作直线传播。热辐射线可以在真空中传播，无需任何介质，这是热辐射与对流和传导的主要不同点。因此，辐射传热的规律也不同于对流传热和导热。固体和液体的热辐射与气体的热辐射不同，前者只发生在物体的表面层，而后者则深入气体的内部。因两者遵循不同的规律，本节将分别进行讨论。一、固体辐射 1、黑体的辐射能力和吸收能力—斯蒂芬-波尔兹曼定律从理论上讲，固体可同时发射波长从0到∞的各种电磁波。但是，在工业上所遇到的温度范围内，有实际意义的热辐射波长位于0。38—1000μm之间，而且大部分能量集中于红外线区段的0。76—20μm范围内。

第五节热辐射 如图所示，设投射在某一物体表面上的总辐射能为Q ，其中，有一部分能量Qa被吸收，一部分能量Qr 被反射，另一部分能量Qd 则透过物体。依据能量守恒定律有： Q = Qa + Qr + Qd （6-72）或： Qa/Q+ Qr /Q+ Qd /Q=1 （6-73）即：a+r +d = 1 （6-74）

第五节热辐射 式中：a= Qa/Q 物体的吸收率，反映物体吸收辐射能的本领。 r= Qr /Q物体的反射率，反映物体反射辐射能的本领。 d= Qd /Q 物体的穿透率，反映物体透过辐射能的本领。绝对黑体：a=1 的物体，能全部吸收辐射能的物体。自然界中并不存在绝对黑体，但有些物体比较接近于黑体。如：没有光泽的黑漆表面。a=0。96—0。98 。绝对白体：（也称为镜体）r=1 的物体，能全部反射辐射能的物体。如：表面磨光的铜，r=0。97。透热体：d=1 的物体，能透过全部辐射能的物体。单原子和由对称双原子构成的气体。（如：He、O2、N2和H2等）一般可视为透热体，多原子气体和不对称的双原子气体则只能有选择地吸收和发射某些波段范围的辐射能。物体的a、r和d的大小，取决于物体的性质、温度、表面状况和辐射线的波长等。一般而言，表面粗糙的物体a较大。

第五节热辐射 对于固体和液体不允许热辐射透过，d=0 a +r =1 （6-75）对于气体对热辐射几乎没有反射能力，r=0 a +d =1 （6-76）物体的辐射能力E：物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部辐射能（从波长λ=0—∞）称为该物体在该温度下的辐射能力。以符号E表示。单位：W/m2 。依据量子理论可以证明：黑体的辐射能力Eb与其表面的绝对温度T的四次方成正比。即：Eb = σ0 T 4 （6-77）上式称为：斯蒂芬—波尔兹曼（Stefan—Boltzmann）定律式中：σ0=5。669×10-8 W/（m2·K4 ）黑体的辐射常数。上式在应用时常写成： Eb= C0 （T/100）4 （6-78）式中：C0=5。669 W/（m2 ·K4 ）黑体的辐射系数。

第五节热辐射 Eb= C0 （T/100）4 （6-78）式中：C0=5。669 W/（m2 ·K4 ）黑体的辐射系数。斯蒂芬-波尔兹曼定律表明黑体的辐射能力与其绝对温度的四次方成正比，有时也称为四次方定律。显然，热辐射与对流或传导遵循完全不同的规律。四次方定律表明辐射传热对温度异常敏感：低温时热辐射往往可以忽略，而高温时则往往成为主要的传热方式。 P265 例6-5 温度对物体辐射能力的影响（请大家注意计算结论） 2、实际物体的辐射能力和吸收能力不同物体在相同温度下的辐射能及辐射能按波长的分布规律各不相同，当然也与同温度下的黑体不同。在同一温度下，实际物体的辐射能力总是小于黑体，其比值ε称为物体的辐射率。

第五节热辐射 ε=E/ Eb =C / C0 < 1 （6-79） ε也常称为物体的黑度，它表示物体的辐射能力接近于黑体的程度，其值恒小于1 。物体黑度ε的大小取决于物体的性质、表面温度及表面状况，严格地讲，还与波长有关。其数值由实验测定。P266表6—4 列出了一些常用工业材料的ε值。已知物体ε，那么实际物体的辐射能力E可由下式计算： E= εC0（T/100）4（6-80）由表6-4可以看出，金属表面的粗糙程度对黑度ε影响很大，在选用金属的黑度值时，对表面情况应给予足够的注意。非金属材料的黑度值都很高，一般在0。85—0。95之间，在缺乏资料时，可近似地取作0。90。

第五节热辐射 黑体可将投入其上的辐射能全部吸收，吸收率a为1。任何实际物体只能部分地吸收投入其上的辐射能，而且对不同波长的辐射能吸收的程度也不同。例如，白瓷砖与玻璃对各种波长辐射能的吸收率如P266 图6-25 所示。可见，实际物体对投入辐射的吸收率不仅取决于物体本身的情况（物体种类、表面温度、表面状况等），而且还与辐射物体的情况（即所辐射的波长）有关。因此，实际物体的吸收率a比其黑度ε更为复杂。但是，如不对实际物体的吸收率作出恰当的估计，辐射传热就无法进行计算。 3、灰体的辐射能力和吸收能力—克希荷夫（Kirchhoff）定律对于同一物体，对不同波长的辐射能，a并不完全相同。但实验证明，对于波长在0。76—20μm范围内的辐射能，即工业上应用最多的热辐射，大多数材料的吸收率随波长变化不大。根据这一实际情况，为避免实际物体吸收率难以确定的困难，可以把实际物体当成是对各种波长辐射能均能同样吸收的理想物体。这种理想物体称为灰体。

第五节热辐射 灰体：我们把能以相等的a吸收所有波长辐射能的物体称为灰体。工业上，常见的大多数固体材料可视为灰体。注意：为了简化工程计算，才引出灰体的概论。克希霍夫从理论上证明，同一灰体的吸收率与其黑度在数值上必相等，即 ε=a （6-81）上式称为克希荷夫定律。由此定律可以推知，物体的辐射能力越大其吸收能力也越大，即善于辐射者必善于吸收。此定律还说明，实际物体（可近似为灰体者）对任何投入辐射的吸收率均可用其黑度的数值，而黑度是可以通过实验加以测定的。注意：ε和a在物理意义上并不相同。ε表示灰体的辐射能力与黑体的辐射能力的分数；而a为外界投射来的辐射能可被物体吸收的分数。只有在温度相同，以及ε和a随温度的变化皆可忽略时，a在数值上才与ε相等。

第五节热辐射 实践证明，引入灰体的概念，并把大多数材料当作灰体处理，可大大简化辐射传热的计算而不会产生很大的误差。但必须注意，不能把这种简化处理推广到对太阳辐射的吸收。太阳表面温度很高，在太阳辐射中波长较短（0。76—20μm）的可见光占46%。物体的颜色对可见光的吸收呈现强烈选择性，故不能再作为灰体处理。根据黑度的定义，式（6-81）也可以表示为 E / a= Eb = C0（T/100）4 （6-82）此式为克希霍夫（Kirchhoff）定律的另一种表达形式，它表明：灰体的辐射能力与其吸收率的比值均相等，且等于同温度下绝对黑体的辐射能力，其值只与物体的温度有关。

§4.4.2物体的辐射能力 二．灰体的辐射能力E ---------黑度（或辐射率）属物性，与材料性质和温度、压力、浓度等有关三．与a的关系--------可希霍夫定律

第五节热辐射 4、黑体间的辐射传热和角系数以上讨论了物体向外界辐射能量和吸收外界辐射能量的能力，在此基础上可进一步讨论两物体间的辐射能量交换。P267—268 从理论上推导了两黑体间的辐射传热量。 Q12= A1φ12C0 [（T1/100）4 - （T2/100）4 ] （6-90）计算两黑体间辐射传热的关键是角系数φ12 的求取。当黑体表面及其相对位置已知时，φ12 可由P268 图6-27 和图6-28上查取。 5、灰体间的辐射传热工业上所遇到的辐射传热，一般为两固体间的相互辐射，且这类固体在热辐射中都可视为灰体。

第五节热辐射 两固体间的辐射传热过程：从一个物体表面发出的辐射能，只有一部分到达另一物体表面。而到达的这一部分能量又由于部分反射，而不能全被吸收。同理，从另一物体表面反射回来的辐射能，也只有一部分回到原物体表面，而回到的这部分能量又有一部分被反射，和一部分被吸收。这种过程不停地反复进行。因此，在计算两固体间的相互辐射时，必须考虑到两物体的a和r 、形状和大小、以及两者间的距离和相互位置，这种热辐射的计算十分复杂。两固体间辐射传热的结果是将热量由温度较高的物体传递给温度较低的物体。两固体间的辐射传热速率为： Q1—2=C1—2·φ·A·[（T1/100）4 - （T2/100）4 ] 上式与P270 （6-99）式等效。

第五节热辐射 Q1—2=C1—2·φ·A·[（T1/100）4 - （T2/100）4 ] 式中：Q1—2—温度较高的物体1在单位时间内传给温度较低的物体2的热量。W T1 、T2 —分别为较热、较冷物体的表面绝对温度K 。 C1—2—总辐射系数。W/m2K4 C1—2=εS·C0其中εS 为系统黑度。 A—辐射面积，m2 ；由具体情况而定，与两物体的形状大小、相互距离和位置等有关。 φ—几何因子，或称角系数。它表示从一个物体表面辐射的总能量，被另一物体表面所拦截的分数，其值取决于两物体表面的形状、大小、相互距离和位置。

第五节热辐射 C1—2的数值取决于物体的ε、形状、大小、距离及相互位置。P151 表4—8和P151 图4—26 给出了工业中常见的几种简单情况下的φ的数值和C1—2的计算式。对比较复杂的情况，φ及C1—2需用实验方法确定。

序号辐射情况面积A 角系数φ 总辐射系数C1—2/（W·m-2·K-4） 1 极大的两平行面 A1或A2 1 C0/[（1/ε1）+（1/ε2）-1] 2 面积有限的两相等平行面 A1 <1 ε1·ε2·C0 3 很大的物体2包住物体1 A1 1 ε1·C0 4 物体2恰好包住物体1 A2≈A1 A1 1 C0/[（1/ε1）+（1/ε2）-1] 5 在3，4两种情况之间 A1 1 C0/[（1/ε1）+（A1/A2）（1/ε2-1）] 第五节热辐射表4—8角系数值与总辐射系数计算式 P269—271 对以上几种简单情况的辐射传热进行了理论推导。

第五节热辐射 6、影响辐射传热的主要因素（1）、温度的影响辐射热流量并不正比于温差，而是正比于温度四次方之差。这样，同样的温差在高温时的热流量将远大于低温时的热流量。例如T1=720K，T2=700K，与T1=120K，T2=100K，两者温差相等，但在其他条件相同情况下，热流量相差240多倍。因此，在低温传热时，辐射的影响总是可以忽略的；在高温传热时，热辐射则不容忽视，有时甚至占据主要地位。（2）、几何位置的影响角系数对两物体间的辐射传热有重要影响，角系数决定于两辐射表面的方位和距离，实际上决定于一个表面对另一个表面的投射角（参见P272 图6-32）。对同样大小的微元面积dA2，位置距辐射源越远，方位与以辐射源为中心的同心球面偏离越大，则所对应的投射角（立体角dω）越小，角系数亦越小。对于两无限平壁或内包物体，距离的变化不会影响投射角，故角系数亦不改变。

第五节热辐射 C0/[（1/ε1）+（A1/A2）（1/ε2-1）] （3）、表面黑度的影响当物体的相对位置一定，系统黑度（或总辐射系数）只和表面黑度有关。因此，通过改变表面黑度的方法可以强化或减弱辐射传热。例如，为增加电气设备的散热能力，可在其表面上涂上黑度很大的油漆；而在需要减少辐射散热时，可在表面上镀以黑度很小的银、铝等。(例如:烧水壶) （4）、辐射表面之间介质的影响在以上讨论中，都假定两表面间的介质为透明体（d=1），实际上某些气体也具有发射和吸收辐射能的能力。因此，这些气体的存在对物体的辐射传热必有影响。有时为消弱表面之间的辐射传热，常在换热表面之间插入薄板来阻挡辐射传热。这种薄板称为遮热板。P273 例6-7通过计算说明了其作用。(计算表明:放置遮热板是减少炉门热损失的有效措施)

影响辐射传热的因素：

第五节热辐射 7、辐射给热系数许多化工设备的外壁温度常高于周围环境的温度，因此热量将由设备壁面以对流和辐射两种形式散失。所以，设备散失的热量应等于对流传热和辐射传热两部分之和，依据各自的传热速率方程式就可求得总的散热量。因对流散失的热量：QC= αC AW（tW -t ）因辐射散失的热量：此时，φ=1 故 QR=C1—2·AW·[（TW/100）4 - （T/100）4 ] 将上式写成对流传热速率方程式的形式：QR=C1—2·AW·[（TW/100）4 - （T/100）4 ]·（tW -t ）/（tW -t ） =αR AW（tW -t ）式中： αR = C1—2·[（TW/100）4 - （T/100）4 ]/（tW-t ）辐射给热系数。W/m2K

第五节热辐射 设备总的热损失应为： Q= QC+ QR=（αC +αR ）AW（tW -t ） = αT AW（tW -t ）式中：αT =αC +αR对流、辐射联合传热系数。 W/m2K 其值由实验确定。对于有保温层的设备、管道等，外壁对周围环境散热的对流辐射联合传热系数αT可用下列近似公式估算： 1、空气自然对流时：当tW < 150 0C 时在平壁保温层外：αT =9。8+0。07（tW -t ）在管道及圆筒壁保温层外：αT =9。4+0。052（tW -t ）由上两式可知：对于同一tW 、t 平壁散热量较大。 2、空气沿粗糙壁面强制对流时在空气速度u < 5 m/S 时：αT =6。2+4。2 u 在空气速度u > 5 m/S 时：αT =7。8 u0。78 由以上两式可知：流速越大、对流辐射联合传热系数越大，散热量越大。

第五节热辐射 P275 例6-8 对流与辐射联合给热计算二、气体辐射（自学内容）气体辐射也是工业上常见的现象。在各种加热炉中，高温气体与管壁或设备壁面之间的传热过程不仅包含对流给热，而且还包含热辐射。高温设备对周围环境的散热，也是如此。严格说来，气体和固体表面之间的一切传热过程都伴随有辐射传热，只是当温度不高时，辐射传热可以忽略而已。在工业常遇的高温范围内，分子结构对称的双原子气体，如O2、N2、H2等可视为透明体，既无辐射能力，也无吸收能力。但是，分子结构不对称的双原子气体及多原子气体，如CO、C O2、S O2、C H4和水蒸气等一般都具有相当大的辐射和吸收能力。气体辐射与固体辐射有很大的区别。

第五节热辐射 1、气体辐射和吸收对波长有强烈的选择性固体能够辐射和吸收各种波长的辐射能，而气体则不然。实验表明，气体只能辐射和吸收某些波长范围内的辐射能。例如水蒸气只能辐射和吸收2。55—2。84、5。6—7。6、12—30μm三个波长范围的辐射能，对其他波长的能量则不辐射也不吸收。因此气体不能近似地作为灰体处理。气体作为一种实际物体，其辐射能力Eg 仍可用其黑度εg 来表征。但是，气体的吸收能力不仅取决于本身情况，还与外来辐射的波长范围有关。所以，气体的吸收率ag 不再与其黑度εg 相等。为计算气体辐射过程，必须对特定的某外来辐射测定气体的吸收率，因此气体辐射过程的计算显得更为复杂。

第五节热辐射 2、气体辐射是一个容积过程热射线不能穿透固体，所以固体的辐射和吸收只能在表面上进行。因为是一种表面过程，固体间的辐射传热只与表面积的大小和表面特性有关。气体的穿透率d不为零，投射到气体表面的辐射能必进入气体内部，沿途被气体分子逐渐吸收。另一方面，在气体界面上所感受到的气体辐射应是到达界面上的整个容积气体辐射的总和。因此，气体的辐射和吸收是在整个容积上进行的，必定与气体容积的大小和形状有关。气体辐射虽是一种容积过程，但其辐射能力同样定义为单位气体表面在单位时间内向半球空间各方向所辐射的总能量。

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