非相干輻射傳遞過程的熱力學分析.pdf

1、熱輻射是太陽能吸收器、鍋爐爐膛等高溫系統(tǒng)中的主要傳熱方式。對這些能量轉(zhuǎn)換裝置進行熱力學第二定律分析時，輻射熵產(chǎn)和輻射的計算非常重要。
　　目前在工程應用中輻射熵產(chǎn)的計算沿用導熱局部熵產(chǎn)率公式。輻射與導熱的傳熱方式不同，其中最為明顯的是輻射與導熱對溫度的依賴不同。從不可逆熱力學的角度來看，導熱熱流是由局部溫度梯度驅(qū)動。熱輻射通常是一長程現(xiàn)象，輻射熱流密度取決于所考慮的整個封閉體內(nèi)的溫度分布，而不是由該處的溫度梯度所決定。因此導熱型

2、的熵產(chǎn)公式不適用于計算輻射熵產(chǎn)，需要發(fā)展新的輻射熵產(chǎn)和輻射損的計算方法。
　　輻射光束不但攜帶能量而且攜帶熵。宏觀條件下的熱輻射可認為是非相干的。本文結(jié)合熱輻射的自身特性研究了非相干輻射傳遞過程的基礎熱力學問題，分析了輻射與導熱復合換熱、高溫受限射流和燃燒過程中的熵產(chǎn)，并研究了太陽光譜輻射的分布。主要工作包括以下五個方面：
　　(1)對非相干輻射傳遞過程進行了熱力學分析，證明了傳統(tǒng)的熵產(chǎn)公式并不適用于計算輻射換熱過程產(chǎn)生

3、的熵產(chǎn)。在光譜輻射溫度和光譜輻射熵強度定義式的基礎上推導了半透明介質(zhì)內(nèi)的輻射熵傳遞方程和新的輻射熵產(chǎn)計算公式，用離散坐標法求解輻射傳遞方程和輻射熵傳遞方程，分析了半透明介質(zhì)內(nèi)的輻射熵產(chǎn)。從系統(tǒng)熱力學分析的角度證明了新的輻射熵產(chǎn)公式及數(shù)值模擬方法的正確性。此數(shù)值模擬方法可以用于以輻射為主要換熱方式的高溫系統(tǒng)中的熵產(chǎn)分析。
　　(2)分別研究了一維穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)半透明介質(zhì)輻射導熱復合換熱過程中產(chǎn)生的熵產(chǎn)，分析了無量綱參數(shù)對熵產(chǎn)數(shù)的影響，

4、并從熵產(chǎn)數(shù)的角度分析了系統(tǒng)中的功損，結(jié)果表明隨著輻射―導熱參數(shù)的增大，由導熱過程的不可逆性導致的功損增大，而由輻射過程的不可逆性導致的功損減小。隨著光學厚度、散射反照率和壁面發(fā)射率的增大，由輻射過程的不可逆性導致的功損增大，而由導熱過程的不可逆性導致的功損減小。
　　(3)從熱力學分析的角度分別研究了二維高溫受限射流過程和甲烷－空氣擴散燃燒過程，結(jié)果表明在利用熱力學第二定律分析輻射換熱起主要作用的高溫系統(tǒng)時，不能忽略輻射熵產(chǎn)。分析

5、了玻爾茲曼數(shù)和射流入口雷諾數(shù)等參數(shù)對熵產(chǎn)和熵產(chǎn)數(shù)的影響，為提高過程的熱力學性能提供了理論依據(jù)。
　　(4)在光譜輻射強度定義的基礎上，通過輻射傳遞方程和輻射熵傳遞方程建立了輻射傳遞方程。分析了半透明介質(zhì)內(nèi)和不透明固體壁面處的輻射損，結(jié)果表明輻射損與輻射熵產(chǎn)間的關系滿足經(jīng)典熱力學中的 Gouy-Stodola理論。以兩個平板組成的系統(tǒng)為例分別研究了黑體和灰體輻射，分析了光譜輻射強度隨波長和發(fā)射率的分布，結(jié)果表明光譜輻射

6、強度的峰值波長和光譜輻射強度的峰值波長不一致。在同一波長下，光譜輻射強度隨著發(fā)射率的增大而增大。
　　(5)研究了太陽光譜輻射和能質(zhì)因子隨波長的分布，結(jié)果表明在光電轉(zhuǎn)化裝置等實際應用上，地表直射太陽輻射在近紫外線和可見光以及近紅外區(qū)域(0.762–0.931μm)為高品質(zhì)能，而總的地表太陽輻射在可見光(大于0.44μm)和近紅外區(qū)域(0.764–0.898μm)為高品質(zhì)能。分析了大氣條件如可凝結(jié)水量、臭氧層總的柱豐度、對流層污