通过模拟辐射传热来分析实用程序锅炉设计

设计具有较高热效率的实用程序锅炉的一种方法是改善其炉子，这是其能量转换过程中最重要的部分。在实用工具锅炉中研究炉子需要工程师来考虑辐射，这对于分析和昂贵的实验研究可能很难解决。作为替代方案，我们可以使用ComsolMultiphysics®软件来分析公用事业锅炉中的辐射传热并改善其设计。

调查炉辐射以改善公用事业锅炉设计

在设计发电厂和其他公用事业锅炉时，重要的是要找到提高其寿命和热效率的方法，同时减少污染物的排放。例如，优化大型电厂锅炉的性能是一个常见的研究领域。今天，我们特别关注一个锅炉设计元素：炉子。在炉中，化学能被转化为热能，这极大地影响了能量转换过程，从而极大地影响了锅炉的热效率。

一个退休的苏格兰海洋锅炉，配有两个燃煤炉。Andy Dingley的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 3.0， 通过Wikimedia Commons。

辐射是锅炉中的关键传热机构。因此，在研究这些设备时，必须准确考虑燃烧室炉壁上的辐射热通量。辐射很难预测，其复杂性和对外壳几何形状的依赖性意味着仅出于非常简单的问题而存在分析解决方案。此外，炉子外壳的实验建模很昂贵。

作为替代方案，工程师可以构建数值模型以正确分析此类外壳并评估热效率。在下一部分中，我们介绍了一个示例模型，旨在研究公用事业锅炉中的辐射热传递。

建模实用程序锅炉以评估辐射传热

让我们看一下我们的公用事业锅炉型号，其中包含五个非常细的障碍物。这是一个实用的选择，因为实用程序锅炉通常包括薄薄的障碍物，例如面板，悬挂在辐射室中。对于我们的模拟，我们将障碍物作为挡板厚度为零的障碍物建模，以降低网格和计算成本。每个障碍物都包含一个吸收发射介质。这些挡板周围代表了过热板，是一个3D围墙，充当实用程序锅炉的燃烧室和炉墙。

公用事业锅炉模型中的障碍物。

对于我们的假设，我们从P.J. Coelho，J.M。Goncalves和M.G.的现有研究中获取。卡瓦略（Carvalho模型文档）。该模型的主要假设是使用现有的温度和特性，如下表所示，在体积和表面区域内部。

坐标（M）	吸收系数（1/m）	温度（k）
z≤5	0.20	1600
5	0.25	2000
10	0.20	1600
20	0.18	1200

至于求解我们的模型，我们使用离散端口方法（DOM）。该方法非常适合涉及辐射吸收和散射的病例中等光学厚度。我们使用S4 DOM来计算炉子中入射辐射的分布，并在外壳的侧壁上进行热通量。我们最终得到了一组24个离散方向，代表辐射强度传输。

有关我们如何设置此模型的更多详细信息，包括我们使用辐射传输方程（RTE），边界条件以及模型中使用的不同数量，请参阅模型文档。

预测炉中的温度和热通量

使用此处介绍的模型，我们可以轻松地在炉内和其表面上找到辐射热通量行为，并计算参与介质中的辐射强度。正如我们在下面的图像中看到的那样，当培养基的温度和吸收系数处于最高点（锅炉的燃烧器水平）时，发生的最大入射辐射量发生。

锅炉中的入射辐射（左）和锅炉的前部（右）。

此外，我们可以将我们的结果与各种配置的参考文献进行比较。例如，下面分析预测的传出热通量的模拟与已发布的数据非常吻合。这有助于确认我们的仿真分析的有效性。

锅炉墙上的传出热通量。

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