辐射换热

辐射换热
开放分类：机械机械工程术语
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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、F 21为辐射角系数。

对于两个无限大平行平板,F 12＝F 21＝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A 1、A 2，则F 12＝1，。

当ε 符号">
时,
ε 符号">；其他各种情况下，F 12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。

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 (N 2、O 2、CO)、三原子气体(CO 2、H 2O 、SO 2)和悬浮固体粒子（炭黑、飞灰、焦炭粒子）所组成。

其中N 2和O 2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 H
2O、CO
2
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。