當物體溫度高於絕對溫度零度時，就會以電磁波的形式向外輻射能量。這種由於物體受熱的作用而發射的輻射能稱之為熱輻射，因熱輻射而發生的熱量傳遞稱為輻射換熱。輻射換熱與傳導和對流換熱不同，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（即可在真空中進行）。
基本介紹
- 中文名：爐內輻射換熱
- 外文名：Radiant heat transfer in furnace
- 定義：在爐內的輻射換熱
- 套用學科：熱力工程術語
- 範疇：工程技術
- 涉及：輻射換熱
概念,基本原理,
概念
當物體溫度高於絕對溫度零度時，就會以電磁波的形式向外輻射能量。這種由於物體受熱的作用而發射的輻射能稱之為熱輻射，因熱輻射而發生的熱量傳遞稱為輻射換熱。輻射換熱與傳導和對流換熱不同，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（即可在真空中進行）。當兩個溫度不同的物體間進行輻射換熱時，不僅高溫物體向低溫物體連續地輻射熱量，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，其結果高溫物體將熱量傳給了低溫物體。如果系統內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
的整個波段範圍，即包括X射線、紫外線（波長為0.014~0.38
）、可見光（0.38~0.76)、紅外線（0.76~103)和無線電波（波長
）等，它們都以光速在空間進行傳播。不同波長的電磁波投射到物體時，可產生不同的效應，其中波長為0.1~100的電磁波被物體吸收後能顯著變為熱能而使物體被加熱，因而稱為熱射線。但在材料加熱溫度範圍內，絕大部分能量又集中在0.76~16波段範圍內。
基本原理
工程用燃燒設備中由於火焰對周圍壁面和介質有強烈的傳熱，火焰中介質的溫度很不均勻。因此，火焰傳熱對燃燒的流動過程、化學反應過程有很大的影響。實際燃燒設備中存在兩種傳熱方式，即輻射和對流；而對於高溫狀態進行的能量傳遞來說，由於輻射換熱量與溫度四次方成比例，因此，在很大程度上，熱輻射占主導地位。在常用工程燃燒設備的火焰傳熱中，輻射換熱約占90%1 。因此，在燃燒過程的數值模擬中，必須特彆強調輻射傳熱模型的選擇問題，以便準確地計算工業爐內的輻射熱交換。但因工業爐內介質的吸收和發射、工業爐壁的發射和反射以及可能生成的大顆粒碳黑的散射等原因，所以工業爐內輻射傳熱是一個複雜的過程。近幾十年來眾多研究者開發了一些輻射模型，如區域法（Zone method）、熱通量法（Heat Flux method）、機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、合理性和經濟性上各有不同特點，但在實際套用中如何尋找一種既合理而又經濟的模型，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，微元立體角上輻射能量的守恆。其左側代表給定方向上輻射強度的梯度，右側各項依次代表介質由於吸收和向外散射、自身發射以及由其他方向入射散射所引起的輻射強度的變化。由於上式為複雜的積分-微分方程，求解較為困難，因此通常根據具體情況採用以下幾種近似方法來處理，可以得到一些簡化結果。
討論輻射換熱一定要先對灰體介質近似法有一個充分的了解。灰體介質近似即假設介質的吸收係數和散射係數都與波長無關，這樣大大簡化了計算的複雜度，但同時也大大降低了計算的準確度。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的基礎。在工程計算中常採用此法，一方面是為了簡化工程計算；另一方面是由於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，不夠準確。當參與輻射的介質中有大量顆粒而使氣體輻射特性產生的影響很小時，可採用該方法。
另外還有譜帶近似法即假設介質在一些特定的波長範圍內是灰體。例如二氧化碳氣體在紅外線範圍內有三個比較重要的吸收—發射譜帶（2.65 ～2.80，4.15 ～4.45，13.0 ～17.0 m），按照譜帶近似法，可假設在每個譜帶內各有一個不變的平均吸收係數，而在這三個譜帶之外，認為這種氣體是透明的。FDS的改進版4 中就引入了譜帶近似法來模擬建築物發生火災時的輻射情況。一般取6 個譜帶，當燃料的吸收譜帶也要考慮時，譜帶數可增加到10 個。
加熱爐燃氣火焰一般來說是不發光的透明火焰,主要靠煙氣中的二氧化碳、水蒸氣等氣體介質在高溫下輻射. 氣體不但能夠發射和吸收熱輻射,而且也具有微弱的散射作用. 在工業設備的尺度範圍內，散射作用往往被忽略不計. 但在碳氫化合物的熱分解歷程中,在分解區內發生著碳氫化合物的脫氫過程和碳原子的積聚過程,生成相當多固體碳粒。 這些碳粒燃燒時,呈現出明亮的淡黃色的火焰,這是碳氫化合物在擴散燃燒時的一個特徵。 可見，加熱爐內除了高溫煙氣中的三原子氣體參與輻射換熱外，彌散在空間的懸浮碳粒，通過對輻射能的吸收、發射和散射參與換熱過程。
研究加熱爐內輻射換熱首先就是要構建輻射換熱模型。常用的有以下幾種：區域法、熱通量法、蒙特卡洛法、球形諧波法、離散傳遞法等。
其中區域法是迄今為止在燃燒室模擬中套用最廣泛的模型之一。用區域法進行研究時，把燃燒室分割為若干容積區域（此處為氣體）和表面區域，這些區域都很小，以至可以將每一區域中的當地溫度和其他物理特性看成是均勻的。區域與區域之間的總輻射熱流取決於總的交換面積，因此需要計算燃燒室內所有區域兩兩之間體現輻射熱交換的直接交換面積，並由此計算出相應的全交換面積。區域的尺寸和形狀取決於工業爐膛的形狀。針對每個區域可以寫出輻射能量平衡方程式，這樣就會形成一組有關未知溫度或熱流的瞬態方程組，通過解總能量平衡方程就可以求出每個區域的溫度或熱流。當然，對總的能量平衡而言，還要考慮其他形式的能量輸運，例如對流、擴散以及由於燃燒放熱造成的氣體質量流動等。用區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，很費時間，不宜把燃燒室分成很多區域。所以區域法常用來計算燃燒室幾何形狀不是很複雜，而且火焰溫度變化也不很劇烈，因而容積區域和表面區域可以劃分得較少的輻射換熱問題。由於到目前為止，只有少數幾種情況存在一維或二維的精確解，因此區域法仍是作為最精確的數學模型用以考核其他方法的精度。
熱通量法基於對輻射強度在空間的角向變化作某些簡化的假定。由於這些假定，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。
蒙特卡洛法又稱機率模擬法，或抽樣統計法，就是用機率論的原理來模擬隨機過程，用以求解複雜的數學方程。它是一種處理複雜邊界、參與介質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，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射，沿途逐步被周圍的介質所吸收。DTM輻射模型的主要假設是用單一的（輻射）射線代替從輻射表面沿某個立體角的所有輻射效應。用離散傳遞法作輻射換熱的數值計算，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只要離散能束數儘量取得多些，效果就接近空間多重積分運算。但是為了計算更加精確而把Nt值取得很大時，其運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目以及計算格線密度決定。
離散坐標法是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出的輻射傳播方程，每個立體角對應著坐標系（笛卡兒）下的固定方向。立體角的離散精度有點類似於DTRM 模型中的射線數目，但與其不同的是，DO 模型並不進行射線跟蹤，相反，DO 模型把方程轉化為空間坐標系下輻射強度的輸運方程，便於同一般輸運方程耦合求解。
綜上所述，區域法由於計算工作量很大，不宜把燃燒室分成很多區域，影響了基本能量方程數值求解的精確和方便，但區域法直接對輻射換熱作積分運算，原理較好，因此它仍然是檢驗其他方法精確與否的標準。熱通量法計算輻射換熱較為方便，它迴避了積分運算，轉化為單一的微分運算，把微元體和周圍的複雜輻射換熱簡化為幾個沿坐標軸方向的輻射熱流。該方法雖然便於把燃燒室劃分為很多個微元體來進行運算，但是在輻射換熱的簡化原理上不夠完善，會引起相當大的誤差。
