爐內(nèi)輻射換熱基本原理

工程用燃燒設(shè)備中由于火焰對周圍壁面和介質(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θ紵牧鲃舆^程、化學(xué)反應(yīng)過程有很大的影響。實際燃燒設(shè)備中存在兩種傳熱方式，即輻射和對流；而對于高溫狀態(tài)進(jìn)行的能量傳遞來說，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?，輻射換熱約占90%1 。因此，在燃燒過程的數(shù)值模擬中，必須特別強(qiáng)調(diào)輻射傳熱模型的選擇問題，以便準(zhǔn)確地計算工業(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)輻射傳熱是一個復(fù)雜的過程。近幾十年來眾多研究者開發(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，也是值得注意的問題。

求解輻射問題的所有方法賴以建立的基礎(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處理，可以得到一些簡化結(jié)果。

討論輻射換熱一定要先對灰體介質(zhì)近似法有一個充分的了解?；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)都與波長無關(guān)，這樣大大簡化了計算的復(fù)雜度，但同時也大大降低了計算的準(zhǔn)確度。雖然這種近似不太符合物理事實，但至少可以作為分析非灰介質(zhì)的基礎(chǔ)。在工程計算中常采用此法，一方面是為了簡化工程計算；另一方面是由于缺乏各種材料表面輻射特性隨波長變化的資料，故把整個氣體介質(zhì)作為灰體處理，不考慮氣體輻射特性隨波長的變化（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，可采用該方法。

另外還有譜帶近似法即假設(shè)介質(zhì)在一些特定的波長范圍內(nèi)是灰體。例如二氧化碳?xì)怏w在紅外線范圍內(nèi)有三個比較重要的吸收—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)在每個譜帶內(nèi)各有一個不變的平均吸收系數(shù)，而在這三個譜帶之外，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模擬建筑物發(fā)生火災(zāi)時的輻射情況。一般取6 個譜帶，當(dāng)燃料的吸收譜帶也要考慮時，譜帶數(shù)可增加到10 個。

加熱爐燃?xì)饣鹧嬉话銇碚f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. 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^程和碳原子的積聚過程,生成相當(dāng)多固體碳粒。 這些碳粒燃燒時,呈現(xiàn)出明亮的淡黃色的火焰,這是碳?xì)浠衔镌跀U(kuò)散燃燒時的一個特征。 可見，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，通過對輻射能的吸收、發(fā)射和散射參與換熱過程。

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，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摹^(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。針對每個區(qū)域可以寫出輻射能量平衡方程式，這樣就會形成一組有關(guān)未知溫度或熱流的瞬態(tài)方程組，通過解總能量平衡方程就可以求出每個區(qū)域的溫度或熱流。當(dāng)然，對總的能量平衡而言，還要考慮其他形式的能量輸運(yùn)，例如對流、擴(kuò)散以及由于燃燒放熱造成的氣體質(zhì)量流動等。用區(qū)域法計算輻射換熱在原理上是較好的，但是計算工作量很大，很費(fèi)時間，不宜把燃燒室分成很多區(qū)域。所以區(qū)域法常用來計算燃燒室?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。

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

蒙特卡洛法又稱概率模擬法，或抽樣統(tǒng)計法，就是用概率論的原理來模擬隨機(jī)過程，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圍的熱輻射均勻地分配在每個空間角內(nèi)，每個空間角的大小為，每份輻射能為It=。各輻射能沿能束線向外發(fā)射，沿途逐步被周圍的介質(zhì)所吸收。DTM輻射模型的主要假設(shè)是用單一的（輻射）射線代替從輻射表面沿某個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)值計算，不必直接計算多重積分，沿一個空間角的中心線形成一個能束，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。但是為了計算更加精確而把Nt值取得很大時，其運(yùn)算工作量也就十分可觀了。該模型的計算精度主要由所跟蹤射線的數(shù)目以及計算網(wǎng)格密度決定。

離散坐標(biāo)法是Chandrasekhar 研究一維天體物理問題時首先提出的。模型求解的是從有限個立體角發(fā)出的輻射傳播方程，每個立體角對應(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)類似于DTRM 模型中的射線數(shù)目，但與其不同的是，DO 模型并不進(jìn)行射線跟蹤，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)域法直接對輻射換熱作積分運(yùn)算，原理較好，因此它仍然是檢驗其他方法精確與否的標(biāo)準(zhǔn)。熱通量法計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，把微元體和周圍的復(fù)雜輻射換熱簡化為幾個沿坐標(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微元體來進(jìn)行運(yùn)算，但是在輻射換熱的簡化原理上不夠完善，會引起相當(dāng)大的誤差?！?2100433B

當(dāng)物體溫度高于絕對溫度零度時，就會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)射的輻射能稱之為熱輻射，因熱輻射而發(fā)生的熱量傳遞稱為輻射換熱。輻射換熱與傳導(dǎo)和對流換熱不同，它不需傳熱物體間的直接接觸，也無需物體之間存在任何介質(zhì)（即可在真空中進(jìn)行）。當(dāng)兩個溫度不同的物體間進(jìn)行輻射換熱時，不僅高溫物體向低溫物體連續(xù)地輻射熱量，同時，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)兩個物體的溫度相等，這時它們之間熱量的輻射和吸收過程仍在不斷進(jìn)行，只不過是相互交換的熱量相等，所以輻射換熱的熱流量為零。

從理論上來說，物體熱輻射的電磁波波長可以包括從

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。常見的問題有兩類：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。常見的問題有兩類：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)。故熱輻射過程的熱量傳遞過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。同時熱輻射的輻射能與溫度和波長均有關(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的材料制造一個空腔，并在空腔壁面上開一個小孔，再設(shè)法使空腔壁面保持均勻的溫度，這時空腔的小孔就具有黑體輻射的特性。由于通過小孔進(jìn)入空腔的輻射能在空腔內(nèi)要經(jīng)過多次吸收和反射，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，是冶煉爐內(nèi)的一個部件，他對爐內(nèi)物品的煅燒有重要作用。在高爐冶煉過程中用來探測料線,了解爐內(nèi)料面料位高度。準(zhǔn)確地探測爐內(nèi)料線料線。保持爐內(nèi)料線料線穩(wěn)定對高爐冶煉、爐頂設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)和使用壽命很重要 。