热辐射的本质、特点及计算方法介绍

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。在4.1.2节中对热辐射的本质和特点已简单介绍，本节将主要讨论有关热辐射的基本概念和基本定律，进而讨论辐射传热计算的基本方法。管道和设备表面的散热属于热对流和热辐射的联合作用，本节也将涉及这种散热的计算方法。

一、基本概念

物体由于热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。前已述及，辐射传热就是物体间相互辐射和吸收能量的总结果，热辐射与光辐射的本质完全相同，区别只是波长不同。热辐射的波长范围理论上是从零到无穷大，在工业上所遇到的温度范围内，有实际意义的波长范围为0.4～20μm，其中可见光的波长范围为0.4～0.8μm，红外光的波长范围为0.8～20μm，可见光和红外光统称为热射线。随着温度的升高，辐射传热的作用将变得更加重要。

热射线和可见光一样，具有相同的传播规律，服从反射、折射定律。在真空和大多数气体（惰性气体和对称双原子气体）中，热射线可以完全透过，但对液体和大多数固体则不能。因此，只有互相能“照见”的物体间才能进行热辐射。

设投射到某物体上的总辐射能为Q，其中一部分能量QA 被吸收，一部分能量QR 被反射，余下能量QD 透过物体，如图4-15所示。

图4-15 辐射能的反射、吸收和透过

根据能量守恒定律可得

或

令A=QA/Q，R=QR/Q，D=QD/Q，分别称为该物体的吸收率、反射率、透过率，则

若A=1，则表示物体能吸收全部辐射能，这种物体称为绝对黑体，简称黑体。如无光泽的黑煤，吸收率可达0.98，接近黑体。

若R=1，则表示物体能反射全部辐射能，这种物体称为绝对白体，简称白体或镜体。如磨光的铜镜，反射率可达0.97，接近镜体。

若D=1，则表示物体能透过全部辐射能，这种物体称为透热体。如单原子和对称双原子气体可视为透热体。

上面定义的物体都是理想物体，自然界中并不存在。引入黑体等概念，只是作为一种实际物体的比较标准，以简化辐射传热的计算。

物体的A、R、D 取决于物体的性质、表面状况、温度及射线的波长等。一般来说，固体和液体都是不透热体，即D=0，故A+R=1。气体则不同，其反射率R=0，故A+D=1。

实际物体只能部分地吸收由零到无穷大所有波长范围的辐射能。凡能以相同的吸收率且部分地吸收所有波长范围的辐射能的物体，定义为灰体。灰体有以下特点：

（1）灰体的吸收率A 不随辐射线的波长而变；

（2）灰体是不透热体，即D=0，A+R=1。

可见，灰体也是理想物体，而大多数的工程材料都可视为灰体，从而可使辐射传热的计算大为简化。

二、物体的辐射能力与斯蒂芬-玻尔兹曼定律

物体在一定温度下，单位面积、单位时间内所发射的全部波长的总能量，称为该物体在该温度下的辐射能力，以E 表示，单位为w/m2。因此，辐射能力表征物体发射辐射能的本领。

（一）黑体的辐射能力与斯蒂芬-玻尔兹曼定律

理论证明，黑体的辐射能力Eb 与其表面的热力学温度T 的四次方成正比，即

式中 C0——黑体的辐射系数，C0=5.67w/（m2·K4）。

式（4-38）为斯蒂芬-玻尔兹曼定律，通常称为四次方定律。揭示黑体的辐射能力与其表面温度的关系。

（二）实际物体的辐射能力

在同一温度下，实际物体的辐射能力E 恒小于黑体的辐射能力Eb。不同物体的辐射能力有很大差别，通常以黑体的辐射能力为基准，引进黑度的概念。实际物体的辐射能力E与同温度下黑体的辐射能力Eb 之比，称为该物体的黑度，用ε表示，即

黑度表示物体的辐射能力接近黑体的程度，表示实际物体辐射能力的大小。ε与物体的性质、表面温度、表面粗糙度和氧化程度有关，由实验测定其值，范围为0～1。实际物体的辐射能力可表示为

只要知道物体的黑度，便可根据物体的温度由上式求得该物体的辐射能力。

三、可希霍夫定律

理论证明，任何物体的辐射能力与其吸收率的比值恒为常数，且等于同温度下黑体的辐射能力，即

式（4-41）称为克希霍夫定律，揭示物体的辐射能力与吸收率之间的关系。比较式（4-39）和式（4-41）可见

式（4-42）表明，在同一温度下，物体的吸收率与黑度在数值上相等。因此实际物体难以确定的吸收率均可取其黑度的数值。但吸收率与黑度在物理意义上则完全不同。吸收率表示由其他物体发射来的辐射能可被该物体吸收的分数，黑度表示物体的辐射能力占黑体辐射能力的分数，因此克希霍夫定律说明黑度和吸收率的关系。

四、两固体间的辐射传热

工业上常遇到两固体间的相互辐射传热，辐射传热量不仅与两固体的吸收率、反射率、形状及大小有关，而且与两者之间距离和相互位置有关。一般以下式表示由较高温度的物体1传给较低温度的物体2的热量。

式中 C1-2——总辐射系数，w/（m2·K4）；

φ——角系数，无因次；

A——辐射面积，m2；

T1——较热物体表面的热力学温度，K；

T2——较冷物体表面的热力学温度，K。

总辐射系数C1-2及角系数φ的数值由物体的黑度、形状、大小、距离及相互位置而定，工业上遇到的固体间相互辐射有以下的几种情况：

（1）一物体被另一物体包围时的辐射，包括很大物体2包住物体1和物体2恰好包住物体1两种情况。

（2）两平行物面间的辐射，分为极大的两平行面的辐射和面积有限的两相等平行面间的辐射两种情况。(www.xing528.com)

对于上述简单情况，辐射面积A、角系数φ、总辐射系数C1-2 可参见图4-16及表4-3。

图4-16 平行平面间辐射传热的角系数

表4-3 φ 值与C1-2 的计算式

*此处φ 值由图4-16查得

五、对流和辐射的联合传热

现将辐射传热速率方程改为与对流传热速率方程相同的形式，即

式中

因设备向大气辐射传热时角系数φ=1，故上式中φ 项消失了。αR 称为辐射传热系数。

总的热量损失为

或

式中αT=α+αR 称为对流-辐射联合传热系数，其单位为w/（m2·℃）。

对于有保温层的设备，设备外壁对周围环境的联合传热系数αT，可用下列各式进行估算：

（1）空气自然对流时。

在平壁保温层外

在管或圆筒壁保温层外

上两式适合于tw＜150℃的场合。

（2）空气沿粗糙壁面强制对流时。

空气的流速u≤5m/s：

空气的流速u＞5m/s：