辐射换热

[拼音]：fushe huanre

[外文]：radiation heat transfer

两个温度不同且互不接触的物体之间通过电磁波进行的换热过程，是传热学的重要研究内容之一。

构成封闭系统（见热力系统）的两个灰体（见黑体和灰体）表面间的辐射换热量 Q₁₂可以用斯忒藩-玻耳兹曼定律表示：

式中为黑体辐射常数，又称斯忒藩-玻耳兹曼常数;A₁为表面1的面积;T₁、T₂为表面1、2的热力学温度； F₁₂为表面1、2间的辐射换热系数：

式中ε₁、ε₂为表面1、2的黑度；F ₁₂、F₂₁为辐射角系数。对于两个无限大平行平板，F₁₂＝F₂₁＝1；对于两个同心圆球或两个同轴无限长圆柱，若其内外壁表面积分别为A₁、A₂，则F₁₂＝1，。当ε 符号">时，ε 符号">；其他各种情况下，F₁₂值的计算式可从有关手册查出。

辐射换热是各种工业炉、锅炉等高温热力设备中重要的换热方式。常见的问题有两类：固体表面间的辐射换热，取决于辐射角系数F和黑度ε值；固体表面间夹有气体的辐射换热，除F和ε值外，还与气体夹层厚度及其黑度有关。

固体辐射

实验表明，除了高度磨光的半球状金属表面的平均黑度为其法向黑度的 1.2倍外，其他工程材料的黑度值多可近似认为与方向无关，而只与物质种类、表面温度和表面状态有关。

（1）表面光滑的导体的黑度很小，基本上与温度成正比；

（2）介电质的黑度比导体黑度高得多，且与温度成反比；

（3）大多数非金属在低温时的黑度都高于0.8；

（4）钢铁的黑度随氧化程度和表面粗糙度的不同有很大的变化。

火焰辐射

火焰的辐射和吸收是在整个容积中进行的。火焰一般由双原子气体 (N₂、O₂、CO)、三原子气体(CO₂、H₂O、SO₂)和悬浮固体粒子（炭黑、飞灰、焦炭粒子）所组成。其中N₂和O₂对热辐射是透明的，CO等的含量一般很低，因此火焰中具有辐射能力的成分主要是 H₂O、CO₂和各种悬浮的固体粒子。对于燃油，发光火焰辐射主要靠炭黑；对于煤粉，发光火焰辐射主要靠焦炭粒子，发光火焰辐射力一般比透明火焰大2～3倍。计算辐射换热通常要求得到火焰总黑度。它与平均有效射程和辐射减弱系数有关。各种形状容积的发射气体的平均有效射程可用下式近似计算

其中V_g和F_g分别为气体容积和界表面积，下标"g"表示高温气体或火焰。对于三原子气体和各种悬浮粒子，各自的辐射减弱系数均有相应的经验公式。火焰的总辐射减弱系数K可近似地认为等于、、K_灰、K_焦炭等项减弱系数之和。 根据埅和K 就可计算火焰的总黑度。如近似地认为火焰界面上ε_g处处相同，则火焰本身对外辐射总功率 。在工程设计中，炉膛辐射换热计算常按下述模型进行：

（1）假设炉内各物理量如火焰和固壁温度都均匀，计算结果也是某种平均值。这种模型比较粗糙，但计算简单；

（2）考虑火焰和受热面是非等温的。常用的数学模型有赫太尔分区计算法、蒙特卡洛法和斯波尔丁通量法。前两种计算法立足于联合求解辐射换热的积分方程，并且假设流动和燃烧情况为已知；而通量法则是通过对过程的偏微分方程组作一定的简化，然后联立求解方程组得出速度场、浓度场、温度场和热流场。