陶瓷干燥与烧成技术：两固体辐射换热计算

2023-10-11 理论教育版权反馈

【摘要】：（四）两固体间的辐射换热两个固体表面间的辐射换热，其换热量为高温物体向低温物体反复地反射和吸收的总结果，称净辐射换热量，用Qnet表示。两固体的形状、大小及相互位置关系千变万化，下面介绍两固体几种特殊位置关系的净辐射换热计算。若两平板的黑度分别为ε1、ε2，由于两平板面积相等，其净辐射换热量可用净辐射热流量qnet表示。

（一）热辐射及其特点

一切物体只要温度在开尔文温度零度以上，内部电子就会产生振动，这种振动使许多粒子发生冲撞，产生电磁波，向外放出辐射能。并且物体的温度越高，内部粒子的冲撞越激烈，放出的辐射能越多，这种与温度有关的辐射称为热辐射。

辐射能的载体是电磁波，电磁波按其波长不同可分为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等，如图1-3-5所示。工业上有实际意义的热辐射，其波长范围在0.38μm～1000μm之间，即可见光和红外线的波长范围。

图1-3-5　电磁波谱

热辐射具有以下特点：

（1）热辐射无须任何中间介质；

（2）热辐射过程能量形式产生两次转换，即辐射体本身将一部分热能转换为电磁波，并在空间以光速传播，接受体吸收这些波能后又转换为热能；

（3）一切物体在开尔文温度零度以上都在不停地发射和吸收电磁波。对于两个温度不同的物体，相互之间均进行热辐射，但辐射的能量不同，总的结果是高温物体把热量传给了低温物体；对于温度相同的两个物体，则相互辐射的能量相同，处于能量传递的动平衡状态。

（二）辐射能的吸收、反射和透过

辐射能投射到某物体的表面上后，可能部分被该物体所吸收，部分被反射，部分被透过。设Q为投射到物体上的辐射能，QA、QR、QD分别为物体吸收、反射和透过的能量，如图1-3-6所示，根据能量守恒定律：

图1-3-6　物体对辐射能的吸收、反射和透过

令，称为吸收率；，称为反射率；，称为透过率。则：

若，A=1，R=0，D=0说明投射到物体上辐射能全部被该物体吸收，则将该物体称为黑体；

若，A=0，R=1，D=0说明投射到物体上辐射能全部被该物体反射，则将该物体称为白体；

若，A=0，R=0，D=1说明投射到物体上辐射能全部透过该物体，则将该物体称为透热体；

对于一般工程材料，几乎不让辐射能透过，则可认为：A+R=1；对于气体，对辐射能几乎没有反射能力，可认为：A+D=1。

（三）热辐射基本定律

1.斯蒂芬-波尔茨曼定律

（1）辐射力的概念

单位时间内从物体单位表面上向半球面空间所辐射出去的总能量称为物体的辐射力，用符号E表示，单位为W/m2。对于黑体则用符号E0表示。黑体是同一温度下辐射力最强的物体。

（2）斯蒂芬-波尔茨曼定律

斯蒂芬-波尔茨曼定律指出，黑体的辐射力只与其表面的热力学温度有关：

式中：C0——黑体辐射系数，等于 5.67W/（m2·K4）；

T——热力学温度，K。

物体的辐射力与同温度下的黑体辐射力之比值，称为黑度，用ε来表示：

大多数工程材料的黑度随温度升高而增大，还与材料的性质、表面状态有关，一些常用材料的黑度见附录。

2.普朗克辐射定律

辐射力按波长分布是不同的，若令dE代表λ到λ+dλ波长间隔内的辐射能量，对于黑体则有：

式中：Eλ，0——黑体的单色辐射力，表示单位时间从黑体单位表面上波长在λ附近的单位波长间隔内的辐射能，W/m3。

普朗克定律揭示了不同温度下黑体的单色辐射力按波长分布的规律，其数学表达式为：

式中：T——热力学温度，K；

e——自然对数的底，e=2.718；

c1、c2——常数，c1=3.743 ×10-16W·m2，c2=1.4387 ×10-2m·k。

普朗克辐射定律可用图1-3-7表示。从图中可以看出：

图1-3-7　黑体的单色辐射力与波长和温度的关系

（1）同一温度下黑体的单色辐射能力有一峰值，而且温度越高，具有最大单色辐射能力的波长越短；

（2）在较低温度下，黑体基本上不辐射出可见光，随着温度的升高，辐射出的可见光相应增多，亮度也逐渐增强，最先出现红色，以后依次出现橙色、黄色和白色。

此定律仅适用于黑体或接近黑体的物体。工业上常根据物体加热后出现的颜色变化来近似判断其加热温度。

（四）两固体间的辐射换热(www.chuimin.cn)

两个固体表面间的辐射换热，其换热量为高温物体向低温物体反复地反射和吸收的总结果，称净辐射换热量，用Qnet（单位为W）表示。影响两固体间净辐射换热量的因素有：（1）两固体的温度；（2）两固体的黑度；（3）两固体的形状、大小及相互位置关系等。

两固体的形状、大小及相互位置关系千变万化，下面介绍两固体几种特殊位置关系的净辐射换热计算。

1.两无限大平行平板间的辐射换热

两个相互平行、尺寸相等且平面之间的距离远小于平面尺寸的平板，即可认为是两无限大平行平板，如图1-3-8所示。若两平板的黑度分别为ε1、ε2，由于两平板面积相等，其净辐射换热量可用净辐射热流量qnet表示。

式中：ε12——系统的导来黑度。

T1，T2——分别为高温物体1和低温物体2表面的热力学温度，K；

图1-3-8　两无限大平行平板

2.物体1被物体2包围以及平面1和曲面2组成的封闭体系的辐射换热

式中：ε12——系统的导来黑度。

S1、S2——分别为高温物体1和低温物体2的表面积，m2。

若S1≪S2，则ε12=ε1，例如窑体对车间环境的散热就属于这种情况。

图1-3-9　物体1被物体2包围

图1-3-10　平面1和曲面2所组成的封闭体系

（五）气体辐射

1.气体辐射的特点

（1）气体辐射和吸收辐射能具有选择性

固体的辐射光谱是连续的，它能够辐射和吸收从0～∞所有波长的辐射能；单原子及双原子气体（如Ne，O2，N2）对热射线无辐射和吸收能力，它们是透热体，只有不同元素组成的二原子气体和三原子气体（如CO，CO2，H2O气等）才在某些波长范围内具有辐射和吸收能力，所以气体的辐射和吸收具有选择性。

CO2和水蒸气的吸收光谱如图1-3-11所示。从图看出，CO2和水蒸气的吸收光谱各有3条最重要的条状光带，在这三条光带CO2和水蒸气才具有辐射和吸收辐射能的能力，对于光带以外的辐射线，可看作为透热体。

图1-3-11　CO2和水蒸气的吸收光谱

（2）气体的辐射和吸收在整个容积中进行

固体辐射只限于表面很薄的一层，而与它的体积厚度无关。气体辐射是分子辐射，在气体的整个体积内进行，与气体辐射层的厚度密切相关，因此，气体辐射是一种容积辐射。

2.气体的辐射力

影响气体辐射和吸收的主要是CO2和H2O气。它们的辐射力可按下列公式计算：

式中：——分别为CO2和H2O气的分压，

Tg——为气体的温度，K；

lg——气层有效厚度，m。

气层有效厚度一般用下式计算：

式中：V——气体的容积，m3；

S——气体的表面积，m2。

从式（1—59）、（1—60）可知，CO2和H2O气的辐射力不符合四次方定律。在实际中为计算方便起见，仍以四次方定律作为计算的基础，而在气体的黑度εg中加以修正，即：

式中：——分别为烟气中CO2和H2O的黑度，其数值可从相关手册和书籍中查得。

3.气体与固体外壳间的辐射换热

气体被外壳包围时，气体对外壳的净辐射换热量Qnet，gw可按下式计算：

式中：εgw——气体与外壳间的导来黑度，可按下式计算：

4.火焰辐射

净化的气体燃料完全燃烧时，其燃烧产物中的主要成分是CO2、水蒸气、O2和N2，由于CO2和水蒸气的辐射光谱不包含可见光谱，火焰的颜色近于无色（或略带蓝色），这类火焰称为暗焰或不发光火焰，属气体辐射范围。

但对于煤、重油、未净化煤气的燃烧，除了生成气态的燃烧产物外，在烟气中还有悬浮的固体微粒存在，这些微粒的辐射力比气体大得多，而且它们可在可见光谱和红外光谱内连续发射辐射能，因此这类火焰有一定的颜色，其亮度较大，称为辉焰或发光火焰。

火焰辐射可看作含有固体颗粒的气体辐射，由此可认为火焰的黑度εf是气体黑度εg和其中所含固体颗粒黑度的叠加。因此，火焰的黑度与火焰温度、气体组成、气层有效厚度、固体粒子的种类、大小、表面状态及分布情况有关。要准确计算火焰的黑度十分困难。

陶瓷干燥与烧成技术：两固体辐射换热计算

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