2.4 辐射换热热流密度与对流换热热流密度的对比研究——节能减排的理论研究
节能减排的目的是提高能源的利用率，对工程而言即提高设备的热效率。根据国家相关标准的规定，设备热效率是指热设备为达到特定目的，供给能量的有效程度在数量上的表示，它等于有效能量对供给能量的百分数。但怎样才能提高热效率？供热有辐射、导热与对流，在工程上应如何正确地选择这3种供热？
2.4.1 对流换热热流密度
对流换热给工件（物料）的热流密度按下式计算：
q对=α对（t1-t2） （W/m2） （2-19）
式中，q对为对流换热热流密度，W/m2；α对为对流换热系数，现取10～40W/（m2·℃）；t1为热风温度，℃，常取350℃；t2为工件温度，℃，常取180℃。
【例6】烤漆件规格为1000mm×1000mm，热风温度为350℃，漆膜表面温度为180℃，试计算对流换热的热流密度。对流换热系数α对=10W/（m2·℃）、20W/（m2·℃）、30W/（m2·℃）、40W/（m2·℃）。
解：烤漆烘道的对流换热热流密度按式（2-19）计算，
q10对=α10对（t1-t2）=10×（350-180）=1700（W/m2）
q20对=α20对（t1-t2）=20×（350-180）=3400（W/m2）
q30对=α30对（t1-t2）=30×（350-180）=5100（W/m2）
q40对=α40对（t1-t2）=40×（350-180）=6800（W/m2）
热风温度之所以假设为350℃，是因为水蒸气经换热器得到干净的350℃热风，水蒸气温度至少要400℃，已属较高温度，再高难以达到。
α对也有更广泛的含意，它包括风速为零的导热、自然对流（无风）、受迫流动（有风），此时称为平均对流换热系数α对均。包括导热在内的对流换热，称为综合对流换热系数α0。
2.4.2 红外辐射换热热流密度
红外辐射换热，烤漆件获得的热量按式（2-15）计算，系统黑度εs按式（2-15a）计算，既考虑了辐射器与工件的实际发射率ε1与吸收率ε2，又考虑了被烤工件与辐射器间的距离D及实际相对位置的角系数X1.2的影响，角系数X1.2可查图2-3得到。
【例7】设烤漆件规格为1000mm×1000mm，辐射器表面积亦为1000mm×1000mm，在烘道中辐射器与烤漆表面垂直布置，辐射器距烤件表面的距离D为50mm、100mm、200mm与400mm。辐射器表面平均温度为远红外450℃、中红外600℃与800℃、近红外1200℃，ε1为0.95，ε2为0.81，试计算辐射换热烤漆件获得的热流密度q辐，及其与对流换热烤漆件获得的热流密度之比（q辐/q对 ）。
解：（1）角系数计算
按图2-3，根据Y/D与X/D查得角系数：
D=50mm时，Y/D=1000÷50=20，X/D=1000÷50=20，查角系数表得
。
D=100mm时，Y/D=1000÷100=10，X/D=1000÷100=10，查角系数表得
。
D=200mm时，Y/D=1000÷200=5，X/D=1000÷200=5，查角系数表得
。
D=400mm时，Y/D=1000÷400=2.5，X/D=1000÷400=2.5，查角系数表得
。
（2）系统黑度计算
（3）被烤工件获得的热流密度计算
① 辐射T1=（450+273）K，T2=（180+273）K；对流t1=350℃，t2=180℃，α对=30W/（m2·℃）。
D=50mm时，
辐射热流密度与对流热流密度比：
/
=9565÷5100=1.88
D=100mm时，
辐射热流密度与对流热流密度比：
/
=8648÷5100=1.70
D=200mm时，
辐射热流密度与对流热流密度比：
/=7731÷5100=1.52
D=400mm时，
辐射热流密度与对流热流密度比：
/=5634÷5100=1.11
② 辐射T1=（600+273）K，T2=（180+273）K；对流t1=350℃，t2=180℃，α对=30W/（m2·℃）。
D=50mm时，
）
辐射热流密度与对流热流密度比：
/=22299÷5100=4.4
D=100mm时，
辐射热流密度与对流热流密度比：
/=20160÷5100=3.95
D=200mm时，
辐射热流密度与对流热流密度比：
/=18022÷5100=3.53
D=400mm时，
辐射热流密度与对流热流密度比：
/=13135÷5100=2.58
③ 辐射T1=（800+273）K，T2=（180+273）K；对流t1=350℃，t2=180℃，α对=30W/（m2·℃）。
D=50mm时，
辐射热流密度与对流热流密度比：
/=53124÷5100=10.4
D=100mm时，
辐射热流密度与对流热流密度比：
/=48030÷5100=9.4
D=200mm时，
辐射热流密度与对流热流密度比：
/=42936÷5100=8.4
D=400mm时，
辐射热流密度与对流热流密度比：
/=31292÷5100=6.1
④ 辐射T1=（1200+273）K，T2=（180+273）K；对流t1=350℃，t2=180℃，α对=30W/（m2·℃）。
D=50mm时，
辐射热流密度与对流热流密度比：
/=193114÷5100=37.9
D=100mm时，
辐射热流密度与对流热流密度比：
/=174596÷5100=34.2
D=200mm时，
辐射热流密度与对流热流密度比：
/=156079÷5100=30.6
D=400mm时，
辐射热流密度与对流热流密度比：
/=113752÷5100=22.3
按上述计算法，求对流换热系数α对=10W/（m2·℃）、α对=20W/（m2·℃）、α对=30W/（m2·℃）、α对=40W/（m2·℃）时辐射热流密度与对流热流密度之比，其数据见表2-3。
表2-3 辐射热流密度q辐与对流热流密度q对之比
2.4.3 辐射热流密度与对流热流密度比的分析
图2-11为辐射热流密度与对流热流密度比与不同对流换热系数α对的相关曲线。辐射温度为800℃、间距D50mm组、α对为10时，其比值最大为31.2倍；α对为40时，其比值最小为7.8倍。由图2-11还可知，q辐/q对随辐射距离D与对流换热系数α对的增大而减小，D=400mm、α对=40时，其值最小，为4.6。其数据见表2-3，α对为变数（横向）。图2-11中各曲线之间的关系见表2-4。
图2-11 辐射热流密度与对流热流密度比与不同对流换热系数α对的相关曲线
表2-4 辐射热流密度与对流热流密度的比值（一）
图2-12为辐射热流密度与对流热流密度比与不同辐射间距D的相关曲线。其中，对流换热系数为α对=10～40个自然常数，见表2-4或表2-5。图中以辐射温度为800℃、间距D为50mm组、α对为10时，其最大比值为31.2倍；当α对为40时其比值最小，为18.4倍； 当D为400mm且α对为40时，其最大比值为7.8倍，最小比值为4.6倍。由图2-12可知，q辐/q对随对流换热系数α对及间距D的增大而减小。图2-12中各曲线之间的关系见表2-5。
图2-12 辐射热流密度与对流热流密度比与不同辐射间距D的相关曲线（T1=800℃，α对=10～40，纵向）
表2-5 辐射热流密度与对流热流密度的比值（二）
表2-5为辐射热流密度与对流热流密度的比值，可见，其比值（k3/k4）均为1.7。
图2-13为辐射热流密度与对流热流密度比值q辐/q对与不同辐射器温度及间距的相关曲线[对流换热系数α对=10W/（m2·℃）]。当辐射温度为1200℃、间距为50mm时，辐射热流密度与对流热流密度的比值为113.4，当D=400mm时其比值为66.9； 当辐射温度为450℃、间距D=50mm时，辐射热流密度与对流热流密度的比值为5.64，当D=400mm时其比值最小为3.33。
图2-13 辐射热流密度与对流热流密度比值q辐/q对与不同辐射器温度及间距的相关曲线
由图2-13可知，q辐/q对随辐射器温度降低及间距D的增大而减小。图2-13中各曲线之间的关系和规律见表2-6。
表2-6 辐射热流密度与对流热流密度比的比值（k5/k6）[对流换热系数α对=10W/（m2·℃）]
表2-6为图2-13辐射热流密度与对流热流密度比的比值（k5/k6），由表2-6可知，其比值（k5/k6）均为1.7。
2.4.4 辐射热流密度与对流热流密度比的分析结论
① 辐射热流密度与对流热流密度比的计算与分析是在以下条件下进行的。
对流热流密度参数：烤漆件规格为1000mm×1000mm，热风温度为350℃，漆膜表面温度为180℃，试计算对流换热的热流密度，对流换热系数α对=10W/（m2·℃）、20W/（m2·℃）、30W/（m2·℃）、40W/（m2·℃）。
辐射热流密度参数：烤漆件规格为1000mm×1000mm，辐射器表面积亦为1000mm×1000mm，在烘道中辐射器与烤漆表面垂直布置，辐射器距烤件表面的距离D为50mm、100mm、200mm与400mm。辐射器表面平均温度为远红外450℃、中红外600℃与800℃、近红外1200℃，ε1为0.95，ε2为0.81，试计算辐射换热烤漆件获得的热流密度q辐及其与对流换热烤漆件获得的热流密度之比（q辐/q对）。
② 由表2-3可知，只有当辐射温度为450℃、D为400mm、对流换热系数α对=40W/（m2·℃）时，q450/q对=0.83，即对流换热强于辐射换热，其他参数均是辐射换热强于对流换热。
③ 由图2-11可知，辐射温度为800℃、间距D=50mm组、α对为10时，其比值最大为31.2倍；α对为40时，其比值最小为7.8倍。
④ 由图2-12可知，当辐射温度为1200℃、间距D=50mm时，辐射热流密度与对流热流密度的比值为113.4倍，当D=400mm时其比值为66.9倍。
⑤ 由表2-4可知，辐射热流密度与对流热流密度比的比值（k1/k2）均为4。表2-5为辐射热流密度与对流热流密度比的比值（k3/k4），其比值均为1.7。由表2-6及图2-13可知，辐射热流密度与对流热流密度比的比值（k5/k6）亦均为1.7，均有共同的变化规律。
⑥ 由图2-13可知，随着辐射温度的升高，辐射热流密度与对流热流密度的比值（q辐/q对）增大，当工程需要快速或大量供热时，红外辐射比对流有绝对的优势。