高温传热系统中辐射熵产的数值求解及实验研究

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在电力、冶金等行业,高温传热系统一直具有很重要的作用,同时在燃煤锅炉、工业窑炉等高温传热系统中,主要通过辐射传热过程传递能量。而高温传热系统内的辐射传热过程存在着不可逆性,其导致了高温传热系统内传递能量中有用功的损失。辐射熵产的研究可以降低传递能量中的有用功的损失,提高高温传热系统的传热效率,起到节约能源的作用。本文针对一维以及二维的高温传热系统,利用数值研究以及实验研究两种方法对传热系统内的辐射熵产进行研究。具体工作如下:提出了将DRESOR(Distributions of Ratios of Energy Scattered Or Reflected)用于求解辐射熵传递方程的方法,并验证了该方法计算结果的正确性。利用该方法研究了介质温度分布的不均匀性对辐射熵产的影响,结果表明:随着介质温差由0K变化为600K,系统的辐射熵产由37.2W/(K·m~2)变化为52.6W/(K·m~2),温度分布的不均匀性将提高系统的辐射熵产;同时,在介质温度分布不均匀的情况下,应该选取更高的壁面发射率,更低的介质散射率以更好的优化高温传热系统内的辐射传热过程。结合反问题求解炉内介质温度分布与辐射特性,通过数值研究与实验研究两种方法,分析在加热炉炉膛以及锅炉炉膛内的辐射熵产。结果表明:当介质温度标准差从140K变为90K,介质辐射过程产生的熵产从606W/K变为516W/K;当壁面热流从4.846E6W/m~2变为5.11E6W/m~2,壁面辐射过程产生的熵产从1881W/K变为2013W/K,介质的温度分布与壁面辐射热流是系统的辐射熵产的重要影响因素。结合火焰内颗粒介质的吸收系数光谱分布以及不同材料发射率光谱分布,将介质的非灰性引入至辐射熵产的研究中,结果表明:在高温辐射传热系统中,当介质吸收系数的光谱分布近似于壁面发射率的光谱分布,系统内的辐射传热过程更剧烈,辐射熵产更高,同时系统的辐射熵产数更低,系统的传热效率更高。
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