基本介紹
- 中文名：輻射熱交換
- 外文名：radiant interchange
- 學科：熱力工程
- 套用：工業爐、鍋爐
- 對象：兩個溫度不同且互不接觸的物體
- 定義：兩個物體相互輻射和吸收的總效果
簡介,輻射及熱輻射現象,輻射,熱輻射,輻射換熱的特點和複雜性,特點,複雜性,歷史沿革,研究方法,發展簡史,
簡介
輻射換熱與導熱、對流換熱有本質的不同。首先，在輻射換熱過程中必定伴隨著能量形式的轉變。物體發射熱輻射是物體的熱能轉變為輻射能，而物體吸收熱輻射則是輻射能轉變為熱能。導熱與對流換熱中就沒有這種能量形式的轉變。第二，導熱與對流的熱量傳遞一定要通過物體的直接接觸才能進行，而物體間的輻射換熱不是這樣，物體間可以是真空的。這些特點使得輻射換熱系統的溫度場不一定像導熱、對流換熱那樣，熱源處溫度最高，然後逐漸下降，冷源處溫度最低，輻射換熱時有可能中間溫度最低，以太陽與地球的輻射換熱為例說明之：太陽的溫度很高，地球的溫度較低，而它們之間的大部分空間溫度比兩者都低。另外，有時溫度場還可以是不連續的，純輻射換熱系統中，物體邊界上會出現溫度的跳躍。第三，輻射能有強烈的方向性，一個空間點上各個方向都可能存在輻射換熱量，並且數量不同。並且，輻射能與波長有關，它的能量是按波長分布的。從上述幾點來看，輻射換熱與導熱、對流換熱有著根本的不同。對流換熱實質上是導熱加上流體的熱對流運動，在能量傳遞的本質上與導熱是相同的。所以從物理本質上看，熱交換的基本種類應當分為兩類：一類是輻射換熱；一類是導熱與對流換熱。這就決定了這兩類熱交換在基本概念、基本定律、計算公式、計算方法、實驗設備等諸方面有很大的區別。
輻射及熱輻射現象
輻射
物體 (包括固體、液體和氣體)由於某種原因，例如受熱、電子撞擊、光的照射以及化學反應等，都會使得物質內部分子、原子或電子振動並產生各種能級的躍遷，因而向外放出輻射能，這種現象叫做輻射。
輻射能是依靠電磁波在真空或介質中傳播的。按照波長的不同，電磁波包括無線電波、紅外線、可見光紫外線、X射線、Y射線及宇宙射線等。圖1-1給出了電磁波譜。
電磁波譜按照頻率或波長的不同可分為三段:
1.高頻段:包括X射線、丫射線和宇宙射線。這些射線是由於原子中內層電子的躍遷或原子核內部發射高能粒子所產生的輻射。
2.長波段:包括無線電波和雷達波，是由於電磁振盪所產生的。
3.中間段:包括紅外線、可見光和紫外線。紅外線是由於分子轉動和振動能級的躍遷所產生的。可見光和紫外線是由於原子中外層電子的躍遷而產生的。一般習慣上又把紫外線和紅外線各分為 “近”、“中”和 “遠”三部分。
熱輻射
波長不同的射線產生的方法不同，射線與物質相互作用所產生的效果也不同。我們所討論的 “輻射”是由於溫度即由於物體受熱而向外放出輻射能的現象叫做熱輻射或叫溫度輻射。
例如，金屬加熱在6000C以下時，表面顏色沒有變化，但用專門的儀器如熱電偶、光敏電阻或光電管測定，可知金屬會向外放出不可見的紅外線。這時，雖然我們的眼睛無法看到，但皮膚卻是很好的感受器。因為紅外線被皮膚表面吸收後轉化為熱能，使我們有熱的感覺。如果對金屬繼續加熱，溫度進一步升高，則金屬表面先變為暗紅色，繼而出現鮮紅色、黃色、甚至白色(白色是各色光的綜合)，說明金屬已經發光。這時金屬向外放出的輻射能除去大部分是不可見的紅外線能量外，還有紅光、黃光、藍光等可見光的能量。在實際工作中，常常根據灼熱物體的顏色來近似估計物體的溫度，如表1-1所示。
熱射線一般包括紅外線和可見光，甚至包括近紫外線的一部分，其波長範圍大約是λ =0.1~100μm。其中紅外線部分為0.7~100μm(甚至更長些);可見光範圍是0.4~0.7μm;波長在0.4μm以下的屬於近紫外線。
熱射線除去是由於溫度因素所產生外，它與物體的相互作用也表現出熱的效應。如前所述，當熱射線投射到物體表面時，能夠被物體部分或全部吸收，並轉化為物體的內能從而提高其溫度。
從傳熱觀點看，熱輻射也是物體之間能量交換的一種方式，當兩物體溫度不同時，可以通過熱射線的互相放射和吸收而進行能量交換，這種換熱方式叫做輻射換熱。如果系統內兩物體溫度相同，每個物體同樣要不斷地放射和吸收輻射能，這時熱輻射的現象仍然存在，只不過每個物體在同一時間內放射和吸收的能量相等，這種輻射過程叫做平衡熱輻射。在這種情況下，物體之間沒有輻射熱流存在。
輻射換熱的特點和複雜性
特點
輻射換熱與導熱或對流換熱相比較，有其特殊之處，在能量交換的機理上也有本質的差別。對於導熱或對流換熱來說，必須有中間介質存在，導熱是依靠微觀粒子 (分子、原子或自由電子)的運動來傳遞能量，對流則是依靠巨觀流體微團的相對運動來傳遞能量。而輻射換熱是依賴於電磁波或光子來傳遞能量，它不需要中間介質。因此兩物體進行輻射換熱時，不需要直接接觸，這是輻射換熱與導熱及對流換熱的重要區別之一。人造衛星、宇宙飛船在太空中運行時，輻射換熱將是十分重要的換熱方式。
其次，物體在輻射換熱過程中，不但有能量的傳遞，即高溫物體的能量傳向低溫物體，而且還有能量形式的轉化，即
輻射換熱與導熱和對流換熱相比還有一個不同點，就是導熱熱流或對流熱流都只和兩物體溫度的一次方之差成正比，即 QK(或Qc) ∝ (T1一T2)
而輻射熱流是與兩物體絕對溫度的三次方至五次方之差成正比。對於黑體之間的輻射熱流是嚴格遵循與兩黑體絕對溫度的四次方之差成正比的關係，即
Qr∝（
-
）
因而對於導熱熱流或對流熱流來說，無論在高溫或低溫下，只要兩物體的溫度差相同，則低溫和高溫時的熱 流就一樣(略去導熱係數和其它物理性質隨溫度的變化)。但對於輻射熱流來說，則情況不同，例如，一對平行放置的平壁，其溫度分別為300K和500K;另外有一對平行平壁，其溫度為1000 K和1200K。這時第一對平壁的溫度四次方之差為(T1 /100)4一(T2/100)4=544K4，而第二對平壁則為10736K4。如果兩對平壁的系統黑度相同，面積也都一樣，雖然兩對平壁之間的溫差均為 200度，但在高溫情況下的輻射熱流要比低溫下幾乎大20倍。這就說明了只有在高溫下，輻射熱流才占有重要地位，例如發動機燃燒室、火箭噴管以及核爆炸等傳熱過程中輻射換熱是十分重要的。
複雜性
輻射換熱問題的複雜性也正是由於上述特點所造成的。在數學處理上，輻射換熱問題不是採用微分方程而是積分方程或積分微分方程。
導熱或對流換熱計算總是從一個微元體上的能量平衡出發來研究的。如果給出微元體附近狀態參數變化的條件，例如溫度梯度以及介質的物理性質，就可以寫出微元體的能量平衡方程。因而描述導熱或對流換熱的是一個或一組微分方程式。但在輻射換熱中，情況往往更為複雜。例如，燃燒室內的輻射換熱，如果要對燃燒室內任意一個微元氣體寫出能量平衡時，它不但和鄰近氣體有輻射能交換，而且和距離遠處的微元氣體以及固體壁之間也有輻射能交換。由於能量平衡不是只和緊靠微元體附近的條件有關，還和與微元體距離較遠處的氣體以及包圍氣體的固體壁面的條件有關，因而描述能量平衡就不是一個簡單的微分方程式，而是積分微分方程式。如果輻射與傳導或對流的作用同時存在時，由於不同溫度方次的微分項和積分項都出現，因而得出的是非線性積分微分方程，這種方程一般來說求解十分困難。因此實際工程計算中都採用了某些簡化假設。
造成輻射換熱比較複雜的另一個因素是工程上各種材料的輻射性質比導熱計算中所用到的物質屬性(例如導熱係數)更難於準確地確定。例如，固體的輻射性質就和很多因素有關，如表面粗糙度、磨光程度、材料純度、表面覆蓋層的厚度、物體的溫度以及輻射的波長和輻射方向等。而且表面狀態對輻射性質的影響只能一般地給出而無法準確地規定。至於氣體輻射性質的確定則更為複雜。因而準確地計算輻射熱流比計算導熱熱流或對流熱流要更困難得多。
歷史沿革
熱輻射是輻射現象的一種。人類對輻射本質的認識經歷了很長過程。初期，它和人類對可見光的認識緊密地結合在一起。17世紀末，就有牛頓(1．Newton，英國人，1642—1727)的微粒說及惠更斯(C．Huygens，荷蘭人，1629—1695)的波動說。微粒說認為：光是一種完全彈性的球形微粒流，粒子不連續，直線傳播。波動說認為：光是在彈性媒介中傳遞的一種連續的彈性機械波。18世紀微粒說占統治地位。19世紀發現光的干涉、衍射和偏振等現象，這些現象是波動的特徵，從而波動說占了上風。1865年麥克斯韋(J．C．Maxwell，英國人，1831—1879)提出了電磁理論，指出可見光是電磁輻射的一種形式，更明確了光是一種波動，於是產生了輻射的波動說定義——物體以電磁波向外傳遞能量的過程稱為輻射。可見，此定義在19世紀已奠定了基礎。但是，有一些光、熱輻射現象不能用波動說解釋，如：光電效應，黑體輻射的光譜性質等。1900年普朗克(M．Planck，英國人，1858—1947)提出量子假設，認為存在能量的最小單元，物體發射或吸收的能量是不連續的，只能是這最小單位的整倍數，重新提出了能量發射與吸收的粒子性。這一假設圓滿地解釋了黑體輻射能量隨波長的分布規律。1905年愛因斯坦(A．Einstein，德國人，1879—1955)提出量子理論，認為光是一束以光速運動的能量子流，這種能量子稱為光子，其能量正比於它的頻率。這就產生了輻射粒子說的新定義——輻射是物體向外發射光子的能量傳遞過程。後來愛因斯坦進一步指出，光子具有波粒兩相性——即有粒子性，又有波動性。從光子能量的頻率與電磁波的波長兩者的關係就可看出粒子性與波動性的關聯。
由輻射的兩種定義，可以引出熱輻射的兩種定義：一、由熱運動產生的，以電磁波形式傳遞的能量，也可以指這種能量的傳遞過程。二、由熱的原因，物體以光子的形式傳遞的能量，也可以指這種能量的傳遞過程。
研究方法
與熱輻射的兩個定義類似，輻射換熱基本上有兩類研究方法：
一、以量子力學為基礎的微觀方法。一般套用於描述物體的發射、吸收特性。例如：熱輻射的基本定律——普朗克定律的推導，物體發射及吸收光譜的解釋，氣體發射率及吸收率的計算等。
二、基於能量守衡原理的輸運理論，這是巨觀方法，多用於輻射能量的傳遞。絕大多數的輻射換熱計算方法都是這種方法。它包括電磁理論和幾何光學，幾何光學是電磁理論的一種特殊情況。但也有將它用於描述物體輻射特性的，如：描述微粒輻射特性的米氏電磁理論，用電磁理論求固體表面的輻射特性等。
於紅外區內的近、中、遠紅外線的分界就更不統一了。此處僅介紹國際照明委員會的分類，0．76—1．4/μm為近紅外，1．4—3μm為中紅外，3—1 000μm為遠紅外。
只要溫度高於絕對零度，物體就會不斷地把熱能轉變為輻射能，向外發出熱射線；同時，該物體也不斷地吸收周圍物體投射來的熱射線，並把吸收的輻射能轉變成熱能。輻射換熱(輻射傳熱)就是指這些能量轉換引起的熱量交換。
對輻射的認識雖然經過這么多年的研究，但目前還不能用一種統一的理論來描述所有的熱輻射現象，其有關理論還在繼續發展。目前，在解釋熱輻射現象及工程套用中，有時用電磁理論，有時用量子理論，所以上述兩個輻射定義目前都有實用意義。
與熱輻射的兩個定義類似，輻射換熱基本上有兩類研究方法：
一、以量子力學為基礎的微觀方法。一般套用於描述物體的發射、吸收特性。例如：熱輻射的基本定律——普朗克定律的推導，物體發射及吸收光譜的解釋，氣體發射率及吸收率的計算等。
二、基於能量守衡原理的輸運理論，這是巨觀方法，多用於輻射能量的傳遞。絕大多數的輻射換熱計算方法都是這種方法。它包括電磁理論和幾何光學，幾何光學是電磁理論的一種特殊情況。但也有將它用於描述物體輻射特性的，如：描述微粒輻射特性的米氏電磁理論，用電磁理論求固體表面的輻射特性等。
發展簡史
輻射換熱屬技術基礎學科，是傳熱傳質學的一個分支。它是隨著工程技術的需要而誕生、成熟與發展的。它誕生的年代可追溯到1900年，至今已有百年歷史了。
在十九世紀初，通過對太陽輻射的觀察，發現了紅外線。隨後，出現多種測量熱輻射能量的儀器，開始對熱輻射進行定量的研究。十九世紀下半葉，西歐的鋼鐵、化工等重工業有很大的發展。很多高溫輻射現象引起實驗物理與理論物理界的注意，出現了比較精密的測量熱輻射與高溫的儀器，為熱輻射的實驗研究提供了有力的武器。同時，經典物理學中的熱力學、光譜學、電磁學有了足夠的進展。這些都為熱輻射的理論與實驗研究作了很好的準備。熱輻射的幾個基本定律都是在這個時期提出的。如1860年基爾霍夫(G．R．Kirchhoff，德國人，1824—1887)在光譜試驗的基礎上，用熱力學方法，提出了在熱平衡條件下，物體的發射光譜與吸收光譜的關係，即基爾霍夫定律。1879年史蒂芬—(J．Stefan，澳大利亞人，1835—1893)總結了大量實驗結果，提出黑體輻射總能量與其絕對溫度四次方成正比的經驗公式。1884年玻耳茲曼(1．E．Boltzmann，澳大利亞人，1844—1906)用熱力學理論與電磁理論證明了此公式，後稱此定理為史蒂芬-玻耳茲曼定理。1893年維恩(W．Wien，德國人，1864—1928)用實驗數據與熱力學原理提出輻射能量隨溫度和波長分布的公式，後稱作維恩分布定律。此定律在長波波段與實驗數據偏差較大，但從此公式可得出峰值波長與絕對溫度的關係，即維恩位移定律。1900年普朗克將維恩分布定律與長波方向的實驗數據綜合在一起，得出一個新的輻射能量隨溫度和波長分布的經驗公式。此公式與眾多的實驗數據符合的很好。為了探求這公式的理論推導，他提出了能量不連續假設，即輻射量子假設，得到了黑體輻射能量與發射波長、黑體溫度關係的規律——普朗克定律Il，2l。到此為止，描寫熱力學平衡狀態下熱輻射的基本定律全部出齊。所以可將1900年標誌為輻射換熱的誕生年代。
20世紀前半葉，由於工業的進步，特別是各種高溫工業爐的出現與發展，為了計算其中的熱輻射，極大地促進了輻射換熱的發展。但這時出現的基本概念、參數與計算方法，主要基於實驗與幾何光學，與量子理論無關。這說明，雖然輻射換熱與量子力學是同時誕生的，輻射換熱的誕生就有近代物理的支撐，但這先進的理論還沒有成熟，不能立即在工程技術中得到套用。這個時期在輻射換熱中得到廣泛套用的許多概念、方法與一些理論都出現了。概念方面如：灰體、發射率(黑度)、角係數、有效輻射、吸收係數、平均射線行程長度等。計算方法方面如：角係數的代數分析法、積分法、圖解法，計算輻射換熱量的淨熱量法、射線蹤跡法、區域法等。理論方面如：估計固體表面輻射特性的電磁理論，結合某些工程需要的專門問題，如：爐內換熱，熱輻射在通道中的傳遞，空腔熱輻射，肋片熱輻射等。這時期還開發了多種實驗設備、儀器，並進行了大量實驗，如：求固體表面和氣體的發射率、吸收率、表面反射率等實驗，積累了大量熱輻射物性數據；某些工業設備的輻射換熱實驗，得出不少滿足工程需要的經驗公式、經驗係數、計算圖表和計算方法等。這時期是輻射換熱的成長期，結合工程需要，利用經典物理學的基本理論，輻射換熱從物理學中走出來成為傳熱學的一部分。
20世紀60年代是輻射換熱的成熟期。這時出現的航天技術要求更精確的輻射換熱計算。同時，動力、化工、儀表、機械加工等工業也對輻射換熱提出更高的要求。成熟的標誌是出現求氣體發射率的光譜法。傳送太空飛行器上天的大型火箭尾部會噴出大量的高溫氣體，正確的預計它的輻射特性對火箭的設計有重要的作用。由於實驗設備的限制，氣體的高溫輻射特性只能從低溫的實驗數據向高溫外推。過去的解決方法是憑科學家的經驗，有一定的主觀性，顯然誤差很大。這時美國的阿波羅航天計畫吸引了很多傳熱學專家進行氣體輻射的研究，採用了基於量子力學原理的光譜學，從理論上指導了這一外推，科學地解決了這一問題。這表明近代的輻射基礎理論開始直接套用於輻射換熱，這標誌著它成熟了。它的成熟，還表現在60年代開始出現了論述輻射換熱的專著，它不僅作為傳熱學的一部分，並成為傳熱學中的一個獨立分支。
60年代至今，輻射換熱有很大的發展，表現在以下幾方面：一是套用面更寬廣。除動力、機械製造、建築等傳統工業外，還進入了航空航天、軍事、信息、生物工程等工業與技術部門，如紅外信息傳輸，生物組織內的輻射傳遞及空間環境等。過去不少人以為，輻射換熱只有在高溫時才需要考慮，事實上有時在常溫和低溫時也不能忽視。例如：無導熱與對流的太空環境中只有輻射；常溫環境下物體向平靜空氣散熱，由於自由對流很小，輻射換熱往往不能忽略不計。輻射換熱的研究已擴散到所有溫度領域。二是研究內容擴大、深入。如：粒子熱輻射中的多次獨立散射，濃相粒子群的非獨立散射，各向異性散射，熱輻射與湍流的相互作用，半透明體複合換熱，輻射反問題，非平衡態氣體熱輻射，微尺度輻射，多種可容納多種物理過程、多維的輻射換熱數值計算方法等。三是與其他學科的交叉越來越多。較突出的是光學，其他還有電磁學、大氣科學、燃燒學、信息科學等。從發表輻射換熱文章的雜誌中就可看出，例如一本重要的有關輻射換熱的國際雜誌，名字就叫定量光譜學與輻射換熱(Journal Of Quantitative Spectroscopy and RadiativeTransfer)。美國有些光學雜誌每年發表有關熱輻射文章的篩數，與傳熱學雜誌發表的篇數相當，有些年度甚至還要多。
