2.3　輻射與對流換熱熱流密度的計算

法國P.若利用250W紅外燈雙面照射30mm厚的山毛櫸，其結(jié)果是“木板裂、能耗大、質(zhì)量欠佳”。我國的木材紅外干燥爐滿負(fù)荷（裝滿爐）干燥時，效果很好，但半負(fù)荷時，在四川就出現(xiàn)了大量的裂紋與撓曲現(xiàn)象。這些現(xiàn)象的出現(xiàn)與輻射熱流密度有關(guān)。現(xiàn)通過計算深入了解這一問題。

【例3】對流干燥物料，空氣溫度為100℃，相對濕度為5%，速度為2m/s，物料表面溫度與濕度相對應(yīng)為40℃，試計算對流熱流密度[h_c=14.5W/（m²·℃）]。

解：q_對流=h_c（t₁-t₂）=14.5×（100-40）=870（W/m²）　　　

【例4】例3中如為熱輻射干燥時，輻射器均布于干燥器內(nèi)壁，其表面溫度分別為600℃、800℃，物料表面溫度為40℃，輻射器表面黑度ε=0.81，求兩種溫度下的輻射換熱熱流密度，并與對流熱流密度對比。

解：按式（2-18）計算。

（1）600℃時，

　　　

（2）800℃時，

　　　

（3）熱流密度對比：

26235÷870=30.2　　　

60438÷870=69.5　　　

可見輻射器表面溫度分別為600℃與800℃時，料溫均為40℃，其輻射熱流密度分別為對流熱流密度的30.2倍與69.5倍。

工程中輻射器加熱表面與被干物料平行放置，互為垂直輻射，如膠合板單板干燥機(jī)的單板紅外輻射干燥、佳泰瓷磚釉的紅外輻射干燥、鈦礦球的紅外輻射干燥以及蓄電池極板的初定型紅外輻射干燥等。設(shè)計這些工程烘道時，可事先在實(shí)驗(yàn)室的固定床中進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，為工程提供數(shù)據(jù)。

【例5】試計算輻射器與物料平行放置，輻射器表面溫度為800℃、600℃、500℃與400℃，物料表面溫度為40℃，輻射面積為100mm×300mm，輻射器發(fā)射率ε=0.95，物料吸收率為0.81時，求當(dāng)兩表面間距為45mm、130mm及300mm時的輻射熱流密度、系統(tǒng)黑度、角系數(shù)，并與例3中對流熱流密度的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

解：L₁=45mm，L₂=130mm，L₃=300mm；對應(yīng)的角系數(shù)查圖2-3得：0.08。系統(tǒng)黑度按式（2-15a）計算為：

　　　

計算800℃時的輻射熱流密度（折算到1m²的換熱）：

L₁=45mm時，

　　　

　=0.48×5.67×13159.6=35815（W/m²）

與對流對比q_1.2/q_對=35815÷872=41　　　

L₂=130mm時，q_1.2=0.25×5.67×13159.6=18728（W/m²）　　　

與對流對比q_1.2/q_對=18728÷872=21.5　　　

L₃=300mm時，q_1.2=0.078×5.67×13159.6=5820（W/m²）　　　

與對流比q_1.3/q_對=5820÷872=6.7　　　

計算結(jié)果見表2-1和表2-2。

表2-1　輻射換熱熱流密度及系統(tǒng)黑度　　

表2-2　輻射熱流密度與對流熱流密度的對比　　

從表2-1、表2-2中的計算結(jié)果可以看出以下幾個重要問題。

① 輻射距離從45mm變?yōu)?00mm，即變化6.7（300÷45）倍時，對同一溫度其輻射熱流均變化為6.1倍（35815÷5820=15546÷2532=9455÷1536=5321÷865=6.1），該數(shù)值恒等于系統(tǒng)黑度的變化比值（0.48÷0.078=6.1），可見系統(tǒng)黑度這一參數(shù)十分重要。

② 系統(tǒng)黑度取決于輻射加熱器的發(fā)射率（黑度）、物料的吸收率及角系數(shù)，其中角系數(shù)的影響顯著，因此要盡量縮短輻射間距，并提高輻射器的黑度及物料的吸收率。

③ 間距均為45mm，輻射器表面溫度由800℃降為400℃時，其輻射換熱熱流密度從35815W/m²降為5321W/m²，即下降85%，因此高溫近距離輻射可獲得很大的熱流密度。

④ 由表2-2可知，輻射間距為45mm時，t₁=800℃與t₁=400℃，其輻射換熱熱流密度分別為對流換熱熱流密度的41倍與6.1倍。只有間距為300mm且t₁為400℃時，其輻射換熱熱流密度與對流換熱熱流密度相當(dāng)。這樣大的熱流密度對菱鎂礦球與鈦礦球的高溫脫水、高含水率的膠合板單板的脫水、蓄電池極板的脫水、瓷磚瓷漆的烘烤以及高溫定向輻射烤漆等均已發(fā)揮了巨大的威力，達(dá)到高效、節(jié)能的效果。但對某些毛細(xì)管膠體材料尤其是厚物料的干燥如木板的干燥等，將會使物料表面毛細(xì)管堵塞，產(chǎn)生表面硬化而使傳熱傳質(zhì)受阻，即熱流傳不進(jìn)物料內(nèi)部，水分也遷移不出來。因此，根據(jù)物料本身的特性提供合適的能量與合適的供熱方式是熱輻射加熱干燥的基本準(zhǔn)則。

由于紅外熱輻射干燥極易提供較大的熱流密度，一旦提供不當(dāng)，熱流密度過剩，被干物料的干燥效果惡化，其危害也遠(yuǎn)較對流干燥的大，因此，深入研究熱輻射換熱特性及物料的脫水機(jī)理是解決紅外熱輻射干燥的關(guān)鍵所在。法國P.若利用250W紅外燈雙面照射山毛櫸木板，結(jié)果是“木板裂、能耗大、質(zhì)量差”，以及我國的木材紅外干燥爐裝半爐木材仍供給裝滿爐時的輻射能量，從而導(dǎo)致木板裂紋、翹曲、能耗大，也是由于這種原因。對流和導(dǎo)熱聯(lián)合作用的給熱（換熱）傳遞過程統(tǒng)稱為對流換熱，此時的對流換熱系數(shù)以平均換熱系數(shù)α_平對 計。