非相干辐射传递过程的热力学分析

摘要

热辐射是太阳能吸收器、锅炉炉膛等高温系统中的主要传热方式。对这些能量转换装置进行热力学第二定律分析时，辐射熵产和辐射的计算非常重要。
　　目前在工程应用中辐射熵产的计算沿用导热局部熵产率公式。辐射与导热的传热方式不同，其中最为明显的是辐射与导热对温度的依赖不同。从不可逆热力学的角度来看，导热热流是由局部温度梯度驱动。热辐射通常是一长程现象，辐射热流密度取决于所考虑的整个封闭体内的温度分布，而不是由该处的温度梯度所决定。因此导热型的熵产公式不适用于计算辐射熵产，需要发展新的辐射熵产和辐射损的计算方法。
　　辐射光束不但携带能量而且携带熵。宏观条件下的热辐射可认为是非相干的。本文结合热辐射的自身特性研究了非相干辐射传递过程的基础热力学问题，分析了辐射与导热复合换热、高温受限射流和燃烧过程中的熵产，并研究了太阳光谱辐射的分布。主要工作包括以下五个方面：
　　(1)对非相干辐射传递过程进行了热力学分析，证明了传统的熵产公式并不适用于计算辐射换热过程产生的熵产。在光谱辐射温度和光谱辐射熵强度定义式的基础上推导了半透明介质内的辐射熵传递方程和新的辐射熵产计算公式，用离散坐标法求解辐射传递方程和辐射熵传递方程，分析了半透明介质内的辐射熵产。从系统热力学分析的角度证明了新的辐射熵产公式及数值模拟方法的正确性。此数值模拟方法可以用于以辐射为主要换热方式的高温系统中的熵产分析。
　　(2)分别研究了一维稳态和非稳态半透明介质辐射导热复合换热过程中产生的熵产，分析了无量纲参数对熵产数的影响，并从熵产数的角度分析了系统中的功损，结果表明随着辐射―导热参数的增大，由导热过程的不可逆性导致的功损增大，而由辐射过程的不可逆性导致的功损减小。随着光学厚度、散射反照率和壁面发射率的增大，由辐射过程的不可逆性导致的功损增大，而由导热过程的不可逆性导致的功损减小。
　　(3)从热力学分析的角度分别研究了二维高温受限射流过程和甲烷－空气扩散燃烧过程，结果表明在利用热力学第二定律分析辐射换热起主要作用的高温系统时，不能忽略辐射熵产。分析了玻尔兹曼数和射流入口雷诺数等参数对熵产和熵产数的影响，为提高过程的热力学性能提供了理论依据。
　　(4)在光谱辐射强度定义的基础上，通过辐射传递方程和辐射熵传递方程建立了辐射传递方程。分析了半透明介质内和不透明固体壁面处的辐射损，结果表明辐射损与辐射熵产间的关系满足经典热力学中的 Gouy-Stodola理论。以两个平板组成的系统为例分别研究了黑体和灰体辐射，分析了光谱辐射强度随波长和发射率的分布，结果表明光谱辐射强度的峰值波长和光谱辐射强度的峰值波长不一致。在同一波长下，光谱辐射强度随着发射率的增大而增大。
　　(5)研究了太阳光谱辐射和能质因子随波长的分布，结果表明在光电转化装置等实际应用上，地表直射太阳辐射在近紫外线和可见光以及近红外区域(0.762–0.931μm)为高品质能，而总的地表太阳辐射在可见光(大于0.44μm)和近红外区域(0.764–0.898μm)为高品质能。分析了大气条件如可凝结水量、臭氧层总的柱丰度、对流层污染度和空气质量对水平面上地表太阳辐射的影响，结果表明空气质量对地表太阳辐射的影响很大。太阳光谱辐射分析的结果为地表太阳能多光谱利用提供了理论依据。