爐內(nèi)輻射換熱

工程用燃燒設(shè)備中由于火焰對(duì)周?chē)诿婧徒橘|(zhì)有強(qiáng)烈的傳熱，火焰中介質(zhì)的溫度很不均勻。因此，火焰?zhèn)鳠釋?duì)燃燒的流動(dòng)過(guò)程、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程有很大的影響。實(shí)際燃燒設(shè)備中存在兩種傳熱方式，即輻射和對(duì)流；而對(duì)于高溫狀態(tài)進(jìn)行的能量傳遞來(lái)說(shuō)，由于輻射換熱量與溫度四次方成比例，因此，在很大程度上，熱輻射占主導(dǎo)地位。在常用工程燃燒設(shè)備的火焰?zhèn)鳠嶂校椛鋼Q熱約占90%1 。因此，在燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬中，必須特別強(qiáng)調(diào)輻射傳熱模型的選擇問(wèn)題，以便準(zhǔn)確地計(jì)算工業(yè)爐內(nèi)的輻射熱交換。但因工業(yè)爐內(nèi)介質(zhì)的吸收和發(fā)射、工業(yè)爐壁的發(fā)射和反射以及可能生成的大顆粒碳黑的散射等原因，所以工業(yè)爐內(nèi)輻射傳熱是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。近幾十年來(lái)眾多研究者開(kāi)發(fā)了一些輻射模型，如區(qū)域法（Zone method）、熱通量法（Heat Flux method）、概率模擬法或稱(chēng)蒙特卡洛法（Monte-Carlo method）、球形諧波法（Spherical-harmonicsmethod）、離散傳遞法（DiscreteTransfermethod）以及離散坐標(biāo)法（DiscreteOrdinatesmethod）、有限體積法（Finite Volume method）等。這些模型在模擬精度、合理性和經(jīng)濟(jì)性上各有不同特點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中如何尋找一種既合理而又經(jīng)濟(jì)的模型，也是值得注意的問(wèn)題。

求解輻射問(wèn)題的所有方法賴(lài)以建立的基礎(chǔ)都是輻射能量傳遞方程。輻射能量傳遞方程表示在方向微元控制體積內(nèi)，微元立體角上輻射能量的守恒。其左側(cè)代表給定方向上輻射強(qiáng)度的梯度，右側(cè)各項(xiàng)依次代表介質(zhì)由于吸收和向外散射、自身發(fā)射以及由其他方向入射散射所引起的輻射強(qiáng)度的變化。由于上式為復(fù)雜的積分-微分方程，求解較為困難，因此通常根據(jù)具體情況采用以下幾種近似方法來(lái)處理，可以得到一些簡(jiǎn)化結(jié)果。

討論輻射換熱一定要先對(duì)灰體介質(zhì)近似法有一個(gè)充分的了解?；殷w介質(zhì)近似即假設(shè)介質(zhì)的吸收系數(shù)和散射系數(shù)都與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，這樣大大簡(jiǎn)化了計(jì)算的復(fù)雜度，但同時(shí)也大大降低了計(jì)算的準(zhǔn)確度。雖然這種近似不太符合物理事實(shí)，但至少可以作為分析非灰介質(zhì)的基礎(chǔ)。在工程計(jì)算中常采用此法，一方面是為了簡(jiǎn)化工程計(jì)算；另一方面是由于缺乏各種材料表面輻射特性隨波長(zhǎng)變化的資料，故把整個(gè)氣體介質(zhì)作為灰體處理，不考慮氣體輻射特性隨波長(zhǎng)的變化（即不考慮氣體的選擇性吸收和發(fā)射特性），而只考慮其隨溫度的變化。該方法簡(jiǎn)單易行，但較粗糙，不夠準(zhǔn)確。當(dāng)參與輻射的介質(zhì)中有大量顆粒而使氣體輻射特性產(chǎn)生的影響很小時(shí)，可采用該方法。

另外還有譜帶近似法即假設(shè)介質(zhì)在一些特定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)是灰體。例如二氧化碳?xì)怏w在紅外線(xiàn)范圍內(nèi)有三個(gè)比較重要的吸收—發(fā)射譜帶（2.65 ～2.80，4.15 ～4.45，13.0 ～17.0 m），按照譜帶近似法，可假設(shè)在每個(gè)譜帶內(nèi)各有一個(gè)不變的平均吸收系數(shù)，而在這三個(gè)譜帶之外，認(rèn)為這種氣體是透明的。FDS的改進(jìn)版4 中就引入了譜帶近似法來(lái)模擬建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)的輻射情況。一般取6 個(gè)譜帶，當(dāng)燃料的吸收譜帶也要考慮時(shí)，譜帶數(shù)可增加到10 個(gè)。

加熱爐燃?xì)饣鹧嬉话銇?lái)說(shuō)是不發(fā)光的透明火焰,主要靠煙氣中的二氧化碳、水蒸氣等氣體介質(zhì)在高溫下輻射. 氣體不但能夠發(fā)射和吸收熱輻射,而且也具有微弱的散射作用. 在工業(yè)設(shè)備的尺度范圍內(nèi)，散射作用往往被忽略不計(jì). 但在碳?xì)浠衔锏臒岱纸鈿v程中,在分解區(qū)內(nèi)發(fā)生著碳?xì)浠衔锏拿摎溥^(guò)程和碳原子的積聚過(guò)程,生成相當(dāng)多固體碳粒。 這些碳粒燃燒時(shí),呈現(xiàn)出明亮的淡黃色的火焰,這是碳?xì)浠衔镌跀U(kuò)散燃燒時(shí)的一個(gè)特征。 可見(jiàn)，加熱爐內(nèi)除了高溫?zé)煔庵械娜託怏w參與輻射換熱外，彌散在空間的懸浮碳粒，通過(guò)對(duì)輻射能的吸收、發(fā)射和散射參與換熱過(guò)程。

研究加熱爐內(nèi)輻射換熱首先就是要構(gòu)建輻射換熱模型。常用的有以下幾種：區(qū)域法、熱通量法、蒙特卡洛法、球形諧波法、離散傳遞法等。

其中區(qū)域法是迄今為止在燃燒室模擬中應(yīng)用最廣泛的模型之一。用區(qū)域法進(jìn)行研究時(shí)，把燃燒室分割為若干容積區(qū)域（此處為氣體）和表面區(qū)域，這些區(qū)域都很小，以至可以將每一區(qū)域中的當(dāng)?shù)販囟群推渌锢硖匦钥闯墒蔷鶆虻?。區(qū)域與區(qū)域之間的總輻射熱流取決于總的交換面積，因此需要計(jì)算燃燒室內(nèi)所有區(qū)域兩兩之間體現(xiàn)輻射熱交換的直接交換面積，并由此計(jì)算出相應(yīng)的全交換面積。區(qū)域的尺寸和形狀取決于工業(yè)爐膛的形狀。針對(duì)每個(gè)區(qū)域可以寫(xiě)出輻射能量平衡方程式，這樣就會(huì)形成一組有關(guān)未知溫度或熱流的瞬態(tài)方程組，通過(guò)解總能量平衡方程就可以求出每個(gè)區(qū)域的溫度或熱流。當(dāng)然，對(duì)總的能量平衡而言，還要考慮其他形式的能量輸運(yùn)，例如對(duì)流、擴(kuò)散以及由于燃燒放熱造成的氣體質(zhì)量流動(dòng)等。用區(qū)域法計(jì)算輻射換熱在原理上是較好的，但是計(jì)算工作量很大，很費(fèi)時(shí)間，不宜把燃燒室分成很多區(qū)域。所以區(qū)域法常用來(lái)計(jì)算燃燒室?guī)缀涡螤畈皇呛軓?fù)雜，而且火焰溫度變化也不很劇烈，因而容積區(qū)域和表面區(qū)域可以劃分得較少的輻射換熱問(wèn)題。由于，只有少數(shù)幾種情況存在一維或二維的精確解，因此區(qū)域法仍是作為最精確的數(shù)學(xué)模型用以考核其他方法的精度。

熱通量法基于對(duì)輻射強(qiáng)度在空間的角向變化作某些簡(jiǎn)化的假定。由于這些假定，精確的積分-微分輻射傳遞方程可以化簡(jiǎn)為一組近似的偏微分方程。

蒙特卡洛法又稱(chēng)概率模擬法，或抽樣統(tǒng)計(jì)法，就是用概率論的原理來(lái)模擬隨機(jī)過(guò)程，用以求解復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程。它是一種處理復(fù)雜邊界、參與介質(zhì)各向異性最有效的方法。

離散傳遞法是把體積微元向周?chē)臒彷椛渚鶆虻胤峙湓诿總€(gè)空間角內(nèi)，每個(gè)空間角的大小為，每份輻射能為It=。各輻射能沿能束線(xiàn)向外發(fā)射，沿途逐步被周?chē)慕橘|(zhì)所吸收。DTM輻射模型的主要假設(shè)是用單一的（輻射）射線(xiàn)代替從輻射表面沿某個(gè)立體角的所有輻射效應(yīng)。用離散傳遞法作輻射換熱的數(shù)值計(jì)算，不必直接計(jì)算多重積分，沿一個(gè)空間角的中心線(xiàn)形成一個(gè)能束，它的輻射能為Nt只要離散能束數(shù)盡量取得多些，效果就接近空間多重積分運(yùn)算。但是為了計(jì)算更加精確而把Nt值取得很大時(shí)，其運(yùn)算工作量也就十分可觀(guān)了。該模型的計(jì)算精度主要由所跟蹤射線(xiàn)的數(shù)目以及計(jì)算網(wǎng)格密度決定。

離散坐標(biāo)法是Chandrasekhar 研究一維天體物理問(wèn)題時(shí)首先提出的。模型求解的是從有限個(gè)立體角發(fā)出的輻射傳播方程，每個(gè)立體角對(duì)應(yīng)著坐標(biāo)系（笛卡兒）下的固定方向。立體角的離散精度有點(diǎn)類(lèi)似于DTRM 模型中的射線(xiàn)數(shù)目，但與其不同的是，DO 模型并不進(jìn)行射線(xiàn)跟蹤，相反，DO 模型把方程轉(zhuǎn)化為空間坐標(biāo)系下輻射強(qiáng)度的輸運(yùn)方程，便于同一般輸運(yùn)方程耦合求解。

綜上所述，區(qū)域法由于計(jì)算工作量很大，不宜把燃燒室分成很多區(qū)域，影響了基本能量方程數(shù)值求解的精確和方便，但區(qū)域法直接對(duì)輻射換熱作積分運(yùn)算，原理較好，因此它仍然是檢驗(yàn)其他方法精確與否的標(biāo)準(zhǔn)。熱通量法計(jì)算輻射換熱較為方便，它回避了積分運(yùn)算，轉(zhuǎn)化為單一的微分運(yùn)算，把微元體和周?chē)膹?fù)雜輻射換熱簡(jiǎn)化為幾個(gè)沿坐標(biāo)軸方向的輻射熱流。該方法雖然便于把燃燒室劃分為很多個(gè)微元體來(lái)進(jìn)行運(yùn)算，但是在輻射換熱的簡(jiǎn)化原理上不夠完善，會(huì)引起相當(dāng)大的誤差?！?2100433B

當(dāng)物體溫度高于絕對(duì)溫度零度時(shí)，就會(huì)以電磁波的形式向外輻射能量。這種由于物體受熱的作用而發(fā)射的輻射能稱(chēng)之為熱輻射，因熱輻射而發(fā)生的熱量傳遞稱(chēng)為輻射換熱。輻射換熱與傳導(dǎo)和對(duì)流換熱不同，它不需傳熱物體間的直接接觸，也無(wú)需物體之間存在任何介質(zhì)（即可在真空中進(jìn)行）。當(dāng)兩個(gè)溫度不同的物體間進(jìn)行輻射換熱時(shí)，不僅高溫物體向低溫物體連續(xù)地輻射熱量，同時(shí)，低溫物體也不斷地向高溫物體輻射熱量，只是高溫物體輻射給低溫物體的熱量要多，其結(jié)果高溫物體將熱量傳給了低溫物體。如果系統(tǒng)內(nèi)兩個(gè)物體的溫度相等，這時(shí)它們之間熱量的輻射和吸收過(guò)程仍在不斷進(jìn)行，只不過(guò)是相互交換的熱量相等，所以輻射換熱的熱流量為零。

從理論上來(lái)說(shuō)，物體熱輻射的電磁波波長(zhǎng)可以包括從

輻射換熱是各種工業(yè)爐、鍋爐等高溫?zé)崃υO(shè)備中重要的換熱方式。常見(jiàn)的問(wèn)題有兩類(lèi)：固體表面間的輻射換熱，取決于輻射角系數(shù)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(guān)。

輻射換熱現(xiàn)象是指各種工業(yè)爐、鍋爐等高溫?zé)崃υO(shè)備中重要的換熱現(xiàn)象。常見(jiàn)的問(wèn)題有兩類(lèi)：固體表面間的輻射換熱，取決于輻射角系數(shù)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(guān)。故熱輻射過(guò)程的熱量傳遞過(guò)程中伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)化。輻射換熱則是物體之間相互輻射和吸收的總效果。同時(shí)熱輻射的輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)，物體發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。

輻射換熱是兩物體表面相互輻射的結(jié)果。因此，輻射換熱量的大小取決于兩物體的表面溫度、發(fā)射和吸收輻射的能力及相對(duì)位置等。人工黑體是人工制造的近似黑體。選用吸收比小于1的材料制造一個(gè)空腔，并在空腔壁面上開(kāi)一個(gè)小孔，再設(shè)法使空腔壁面保持均勻的溫度，這時(shí)空腔的小孔就具有黑體輻射的特性。由于通過(guò)小孔進(jìn)入空腔的輻射能在空腔內(nèi)要經(jīng)過(guò)多次吸收和反射，最終從小孔反射出去的能量非常小，小孔就具有黑體表面的性質(zhì)。

爐內(nèi)料線(xiàn)，是冶煉爐內(nèi)的一個(gè)部件，他對(duì)爐內(nèi)物品的煅燒有重要作用。在高爐冶煉過(guò)程中用來(lái)探測(cè)料線(xiàn),了解爐內(nèi)料面料位高度。準(zhǔn)確地探測(cè)爐內(nèi)料線(xiàn)料線(xiàn)。保持爐內(nèi)料線(xiàn)料線(xiàn)穩(wěn)定對(duì)高爐冶煉、爐頂設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)和使用壽命很重要 。