輻射換熱

radiation heat transfer

兩個溫度不同且互不接觸的物體之間通 過電磁波進行的換熱過程，是傳熱學的重要研究內容之一。

輻射換熱是各種工業爐、鍋爐等高溫熱力設備中重要的換熱方式。常見的問題有兩類：固體表面間的輻射換熱，取決於輻射角係數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。

熱輻射

輻射是電磁波傳遞能量的現象。熱輻射是由熱運動產生的電磁波輻射，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部微觀粒子的熱運動狀態改變時激發出來的，其顯著特點是熱輻射可以在真空中傳播，並且具有強烈的方向性。只要物體的溫度高於0K，就會不停地把熱能變為輻射能，向周圍空間發出熱輻射；同時物體也不斷的吸收周圍物體投射到它上面的熱輻射，並把吸收的輻射能重新轉變為熱能。故熱輻射過程的熱量傳遞過程中伴隨著能量形式的轉化。輻射換熱則是物體之間相互輻射和吸收的總效果。同時熱輻射的輻射能與溫度和波長均有關，物體發射輻射取決於溫度的4次方。

吸收比、反射比、透射比

當熱輻射投射到物體表面上時，一般會發生三種現象，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，一部分被物體吸收，另一部分被物體反射，其餘部分透過物體。按照能量守恆定律有

Q= ++,或 ++=1其中個能量百分比分別成為該物體對投入輻射的吸收比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象也和可見光一樣，有鏡面反射和漫反射的區分，這取決於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。它是一種科學假設的物體，現實生活中並不存在。為了在研究黑體輻射的基礎上，用修正係數的方法處理其他物體的問題，提出了人工黑體的概念。

人工黑體是人工製造的近似黑體。選用吸收比小於1的材料製造一個空腔，並在空腔壁面上開一個小孔，再設法使空腔壁面保持均勻的溫度，這時空腔的小孔就具有黑體輻射的特性。由於通過小孔進入空腔的輻射能在空腔內要經過多次吸收和反射，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。

輻出度E以及光譜輻出度Eλ

輻出度：單位時間內，物體的單位表面積向半球空間發射的全部波長的能量總和，單位W/m^2。輻出度從總體上表徵物體發射輻射能本領的大小。

光譜輻出度：單位時間內，單位波長範圍內（包含某一給定波長），物體的單位表面積向半球空間發射的能量，單位W/m^3。光譜輻出度Eλ按照波長範圍描述物體發射輻射能的本領。

兩者的關係如下：

普朗特定律

普朗特定律揭示了黑體輻射能按照波長的分佈規律，即它給出了黑體光譜輻出度與波長和溫度的依變關係。如下

在高溫測量技術中應用普朗特定律可以解釋色溫的現象。當溫度低於500°C時，由於沒有可見光輻射，人們看不到顏色；隨著溫度的升高，熱輻射移向較短的波長，金屬將相繼呈現出暗紅-亮紅-橘紅等顏色，直到1300°C時呈現白熾狀態。

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(又稱四次方定律)。如下式：

它說明黑體輻出度正比例與熱力學溫度的四次方。

蘭貝特定律

蘭貝特定律描述了輻射能量按空間方向分佈的規律。黑體輻射在空間不同方向的分佈是不均勻的，法向方向最大，切線方向為零。

實際物體與理想黑體的輻射特性之差別在於實際物體的光譜輻出度往往隨波長做不規則的變化。

在熱輻射分析中，把光譜吸收比與波長無關的物體稱為灰體。灰體與黑體的區別在於其吸收率小於1，但是灰體遵從黑體所遵從的有關輻射規律。

單位時間內從外界輻射到物體單位面積上的能量稱為該物體的投入輻射。物體對投入輻射所吸收的百分數稱為該物體的吸收比。

物體對某一特定波長的輻射能所吸收的百分數稱為光譜吸收比，也叫單色吸收比。

基爾霍夫1849年提出實際物體的輻射和吸收之間的相對關係，即基爾霍夫定律。表達式如下：

該式說明，在熱力學平衡狀態下，物體的吸收比等於它的發射率。

實驗表明，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為與方向無關，而只與物質種類、表面溫度和表面狀態有關。①表面光滑的導體的黑度很小，基本上與溫度成正比；②介電質的黑度比導體黑度高得多，且與溫度成反比；③大多數非金屬在低溫時的黑度都高於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。

火焰的輻射和吸收是在整個容積中進行的。火焰一般由雙原子氣 體 (、、CO)、三原子氣體(、、)和懸浮固體粒子（炭黑、飛灰、焦炭粒子）所組成。其中N2和O2對熱輻射是透明的,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 、和各種懸浮的固體粒子。對於燃油，發光火焰輻射主要靠炭黑；對於煤粉，發光火焰輻射主要靠焦炭粒子，發光火焰輻射力一般比透明火焰大2～3倍。計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係數有關。各種形狀容積的發射氣體的平均有效射程可用下式近似計算 其中Vg和Fg分別為氣體容積和界表面積，下標"g"表示高溫氣體或火焰。對於三原子氣體和各種懸浮粒子，各自的輻射減弱係數均有相應的經驗公式。火焰的總輻射減弱係數K可近似地認為等、、K灰、K焦炭等項減弱係數之和。根據埅和K 就可計算火焰的總黑。如近似地認為火焰界面上εg處處相同，則火焰本身對外輻射總功率。在工程設計中，爐膛輻射換熱計算常按下述模型進行：①假設爐內各物理量如火焰和固壁溫度都均勻，計算結果也是某種平均值。這種模型比較粗糙，但計算簡單;②考慮火焰和受熱面是非等溫的。常用的數學模型有赫太爾分區計演演算法、蒙特卡洛法和斯波爾丁通量法。前兩種計演演算法立足於聯合求解輻射換熱的積分方程，並且假設流動和燃燒情況為已知；而通量法則是通過對過程的偏微分方程組作一定的簡化，然後聯立求解方程組得出速度場、濃度場、溫度場和熱流場。

輻射供熱是一種利用特質內部，如建築物內部的棚頂、牆面、地面或其它 表面 進行供熱的系統。供熱系統中，輻射能佔總能量的50%以上的系統方可稱 為輻射供熱系統。按熱源表面溫度將輻射分為低溫輻射、中溫輻射、高溫輻 射，這裡所討論的是表面溫度低於80℃的低溫輻射供熱。按輻射板位置又分為 頂面式、牆面式、地面式和樓面式。而輻射是一種高效的傳熱方式，比對流和導熱等傳熱方式快得多。

負荷與 節能使用輻射採暖，具有三個優點:

1 提高了壁面輻射溫度，從而增強了人的舒適感。 2 室內溫度分佈較均勻，並且可以使用低溫熱源。

3 直接使輻射熱作用於人體，可以降低室內空氣溫度，從而實現節能。