輻射傳熱
依靠電磁波輻射實現熱冷物體間熱量傳遞的過程,是一種非接觸式傳熱,在真空中也能進行。物體發出的電磁波,理論上是在整個波譜範圍內分布,但在工業上所遇到的溫度範圍內,有實際意義的是波長位於0.38~1000μm之間的熱輻射,而且大部分位於紅外線(又稱熱射線)區段中0.76~20μm的範圍內。所謂紅外線加熱,就是利用這一區段的熱輻射。研究熱輻射規律,對於爐內傳熱的合理設計十分重要,對於高溫爐操作工的勞動保護也有積極意義。當某系統需要保溫時,即使此系統的溫度不高,輻射傳熱的影響也不能忽視。如保溫瓶膽鍍銀,就是為了減少由輻射傳熱造成的熱損失。熱輻射的基本概念
任何物體在發出輻射能的同時,也不斷吸收周圍物體發來的輻射能。一物體輻射出的能量與吸收的能量之差,就是它傳遞出去的淨能量。物體的輻射能力(即單位時間內單位表面向外輻射的能量),隨溫度的升高增加很快。一般說來,當一物體受到其他物體投來的輻射(能量為Q)時,其中被吸收轉為熱能的部分為QA,被反射的部分為QR,透過物體的部分為QD,顯然這些部分與總能量之間有下式所示的關係:QA+QR+QD=Q
如果把A=QA/Q稱為吸收率,R=QR/Q稱為反射率,D=QD/Q稱為穿透率,則有:A+R+D=1
若物體的A=1,R=D=0,即到達該物體表面的熱輻射的能量完全被吸收,此物體稱為絕對黑體,簡稱黑體。若R=1,A=D=0,即到達該物體表面的熱輻射的能量全部被反射;當這種反射是規則的,此物體稱為鏡體;如果是亂反射,則稱為絕對白體。若D=1,A=R=0,即到達物體表面的熱輻射的能量全部透過物體,此物體稱為透熱體。實際上沒有絕對黑體和絕對白體,僅有些物體接近絕對黑體或絕對白體。例如:沒有光澤的黑漆表面接近於黑體,其吸收率為0.97~0.98;磨光的銅表面接近於白體,其反射率可達0.97。影響固體表面的吸收和反射性質的,主要是表面狀況和顏色,表面狀況的影響往往比顏色更大。固體和液體一般是不透熱的。熱輻射的能量穿過固體或液體的表面後只經過很短的距離(一般小於1mm,穿過金屬表面後只經過1μm),就被完全吸收。氣體對熱輻射能幾乎沒有反射能力,在一般溫度下的單原子和對稱雙原子氣體(如 Ar、He、H2、N2、O2等),可視為透熱體,多原子氣體(如CO2、H2O、SO2、NH3、CH4等)在特定波長範圍內具有相當大的吸收能力。輻射能力和吸收能力
理論研究證明,黑體的輻射能力E0為:E0=σ0T4
此式稱為斯忒藩-波耳茲曼定律。式中T為絕對溫度;σ0為黑體的輻射常數(或稱斯忒藩-波耳茲曼常數),其值為5.669×10-8W/(m2·K4)。為套用方便,此式可改寫為:![輻射傳熱](/img/a/9d3/ml2ZuM3X3ITN3UzM0QTMxgDM5ETMwADMwADMwADMwADMxAzLxEzL3IzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLwE2LvoDc0RHa.jpg)
實際物體的輻射能的波長分布規律,隨物體和溫度而異。設實際物體輻射任一波λ的輻射能力為Eλ,在同溫度下的黑體輻射相同波長的能力為E0λ;若Eλ/E0λ=常數,即物體的輻射能力與波長無關,則這種物體稱為灰體。大多數工程材料在熱輻射波長範圍內接近於灰體。灰體的輻射能力E可表示為:
物體的輻射能力與同一溫度下黑體的輻射能力之比ε,等於各自的輻射係數之比,即ε=E/E0=C/C0。ε稱為黑度,它代表物體的相對輻射能力。G.R.基爾霍夫發現,任何物體的輻射能力與吸收率A的比值都相同,且恆等於同溫度下絕對黑體的輻射能力,即:
兩固體間的輻射傳熱
兩物體間輻射傳熱的速率Q12可表示為:φ12F1=φ21F2
式中F2為物體2的表面面積;φ21為以F2為基準的角係數,代表物體2輻射出去的能量投射到 F1上的分率。求取各種情況下的總輻射係數和角係數(見表),是輻射傳熱的研究課題。![輻射傳熱](/img/a/9d6/nBnauM3XwkDN2YzM0QTMxgDM5ETMwADMwADMwADMwADMxAzLxEzLwkzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLwE2LvoDc0RHa.jpg)