輻射換熱

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更新時間: 2013-08-01

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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。

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1輻射換熱簡介

radiation heat transfer
兩個溫度不同且互不接觸的物體之間通
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  輻射換熱

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。

2輻射換熱的基本概念

3黑體輻射

4實際物體的輻射特性

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光的物體稱為灰體。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。

5吸收比和基爾霍夫定律

6固體輻射

實驗表明,除了高度磨光的半球狀金屬表面的平均黑度
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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。

7火焰輻射

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
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體 (N2、O2、CO)、三原子氣體(CO2、H2O、SO2)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 H2O、CO2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
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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Kco2、Kh2o、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
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。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
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。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算法、蒙特卡洛法和斯波爾丁通量法。前兩種計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。

8輻射換熱的應用

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
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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。
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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。

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