2.3　辐射与对流换热热流密度的计算

法国P.若利用250W红外灯双面照射30mm厚的山毛榉，其结果是“木板裂、能耗大、质量欠佳”。我国的木材红外干燥炉满负荷（装满炉）干燥时，效果很好，但半负荷时，在四川就出现了大量的裂纹与挠曲现象。这些现象的出现与辐射热流密度有关。现通过计算深入了解这一问题。

【例3】对流干燥物料，空气温度为100℃，相对湿度为5%，速度为2m/s，物料表面温度与湿度相对应为40℃，试计算对流热流密度[h_c=14.5W/（m²·℃）]。

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

【例4】例3中如为热辐射干燥时，辐射器均布于干燥器内壁，其表面温度分别为600℃、800℃，物料表面温度为40℃，辐射器表面黑度ε=0.81，求两种温度下的辐射换热热流密度，并与对流热流密度对比。

解：按式（2-18）计算。

（1）600℃时，

　　　

（2）800℃时，

　　　

（3）热流密度对比：

26235÷870=30.2　　　

60438÷870=69.5　　　

可见辐射器表面温度分别为600℃与800℃时，料温均为40℃，其辐射热流密度分别为对流热流密度的30.2倍与69.5倍。

工程中辐射器加热表面与被干物料平行放置，互为垂直辐射，如胶合板单板干燥机的单板红外辐射干燥、佳泰瓷砖釉的红外辐射干燥、钛矿球的红外辐射干燥以及蓄电池极板的初定型红外辐射干燥等。设计这些工程烘道时，可事先在实验室的固定床中进行模拟实验，为工程提供数据。

【例5】试计算辐射器与物料平行放置，辐射器表面温度为800℃、600℃、500℃与400℃，物料表面温度为40℃，辐射面积为100mm×300mm，辐射器发射率ε=0.95，物料吸收率为0.81时，求当两表面间距为45mm、130mm及300mm时的辐射热流密度、系统黑度、角系数，并与例3中对流热流密度的数据进行比较。

解：L₁=45mm，L₂=130mm，L₃=300mm；对应的角系数查图2-3得：0.08。系统黑度按式（2-15a）计算为：

　　　

计算800℃时的辐射热流密度（折算到1m²的换热）：

L₁=45mm时，

　　　

　=0.48×5.67×13159.6=35815（W/m²）

与对流对比q_1.2/q_对=35815÷872=41　　　

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

与对流对比q_1.2/q_对=18728÷872=21.5　　　

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

与对流比q_1.3/q_对=5820÷872=6.7　　　

计算结果见表2-1和表2-2。

表2-1　辐射换热热流密度及系统黑度　　

表2-2　辐射热流密度与对流热流密度的对比　　

从表2-1、表2-2中的计算结果可以看出以下几个重要问题。

① 辐射距离从45mm变为300mm，即变化6.7（300÷45）倍时，对同一温度其辐射热流均变化为6.1倍（35815÷5820=15546÷2532=9455÷1536=5321÷865=6.1），该数值恒等于系统黑度的变化比值（0.48÷0.078=6.1），可见系统黑度这一参数十分重要。

② 系统黑度取决于辐射加热器的发射率（黑度）、物料的吸收率及角系数，其中角系数的影响显著，因此要尽量缩短辐射间距，并提高辐射器的黑度及物料的吸收率。

③ 间距均为45mm，辐射器表面温度由800℃降为400℃时，其辐射换热热流密度从35815W/m²降为5321W/m²，即下降85%，因此高温近距离辐射可获得很大的热流密度。

④ 由表2-2可知，辐射间距为45mm时，t₁=800℃与t₁=400℃，其辐射换热热流密度分别为对流换热热流密度的41倍与6.1倍。只有间距为300mm且t₁为400℃时，其辐射换热热流密度与对流换热热流密度相当。这样大的热流密度对菱镁矿球与钛矿球的高温脱水、高含水率的胶合板单板的脱水、蓄电池极板的脱水、瓷砖瓷漆的烘烤以及高温定向辐射烤漆等均已发挥了巨大的威力，达到高效、节能的效果。但对某些毛细管胶体材料尤其是厚物料的干燥如木板的干燥等，将会使物料表面毛细管堵塞，产生表面硬化而使传热传质受阻，即热流传不进物料内部，水分也迁移不出来。因此，根据物料本身的特性提供合适的能量与合适的供热方式是热辐射加热干燥的基本准则。

由于红外热辐射干燥极易提供较大的热流密度，一旦提供不当，热流密度过剩，被干物料的干燥效果恶化，其危害也远较对流干燥的大，因此，深入研究热辐射换热特性及物料的脱水机理是解决红外热辐射干燥的关键所在。法国P.若利用250W红外灯双面照射山毛榉木板，结果是“木板裂、能耗大、质量差”，以及我国的木材红外干燥炉装半炉木材仍供给装满炉时的辐射能量，从而导致木板裂纹、翘曲、能耗大，也是由于这种原因。对流和导热联合作用的给热（换热）传递过程统称为对流换热，此时的对流换热系数以平均换热系数α_平对 计。