輻射加熱
關注創建者：熱管理博覽會 創建時間：2023-07-31
輻射加熱的視頻教程
ABAQUS-熱輻射模擬
本案例基于ABAQUS模擬了輻射熱傳播過程，定義了三個分析步，第一個分析步為穩態分析步，第二步為瞬態熱輻射加熱過程，第三個分析步為瞬態冷卻過程。熱輻射一般發生在較高溫度場所，所以應用并不多。這個案例可以作為入門參考，了解熱輻射傳熱。
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輻射加熱的實例教程
通過加熱供暖使人體溫度保持相對恒定對于人體熱舒適以及各種人體功能的正常運行至關重要。目前，室內供暖耗能約占全球能源消耗的47%。但傳統的加熱供暖形式（空調、集中供暖、燃煤取暖）能耗高且能源利用率低，大量能源浪費在加熱無生命特征的空間和物體上，加劇了全球能源危機和氣候變暖。開發高效節能并能精準加熱人體的供暖系統和材料對于緩解能源危機和氣候變暖具有重要意義。
人體發射的中紅外熱輻射（波長7-14 μm）約占人體熱量損失的50%。傳統紡織品的紅外發射率較高，人體產生的大部分熱輻射可以輕松地發射到外界。通過控制可穿戴織物的紅外發射率可以減少紅外熱輻射損失，進而實現零能耗的人體被動輻射加熱。近年來，被動輻射加熱受到越來越多的關注。但除了室內供暖，在戶外保持人體熱舒適同樣重要。然而，由于戶外環境和氣溫等影響因素的不可控，單一的被動輻射加熱模式無法滿足人體在復雜環境下的加熱需求。
近日，鄭州大學材料學院王建峰副教授和王萬杰教授團隊通過將零能耗的被動輻射加熱模式、節能的太陽能加熱模式和補償型焦耳加熱模式集成到一個可穿戴加熱系統中，展示了一種高效節能的全天候個人精準加熱策略。本文將具有紅外低發射率特性的Ti3C2Tx MXene修飾在納米多孔聚乙烯（nanoPE）織物表面，厚度為12 μm的MXene/nanoPE復合織物在7-14 μm的紅外發射率僅為0.176，賦予其優異的室內被動輻射加熱性能，與厚度為576 μm的傳統棉織物相比加熱溫度提高了4.9 ℃。
展開 作為溫度補償，室內供暖，如空調、中央加熱系統或燃煤加熱，也是一個流行但耗能的(全球約47%的能源)實現熱舒適的方式。然而，由于不可控制的地點、環境和其他客觀條件，保持室外身體溫暖仍然是一個巨大挑戰。因此，從健康和節能的角度出發，開發在沒有人工能源供應的條件下保持身體處于最佳代謝溫度的織物具有重要意義。個人熱管理織物由于其高效和節能的特點，已經超越了傳統的加熱方法。
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成果掠影
近期，中國科學院北京納米能源與系統研究所Xiong Pu團隊充分利用MXene的特性，開發了一種用于輻射加熱的Janus織物，通過調節織物的多波長輻射來實現個人熱管理。這種織物具有潛在的節能、便利甚至時尚的優點。在聚酰胺織物基底的一側涂上MXene層后，Janus織物通過抑制人體輻射能量損失，使模擬皮膚的溫度提高3.4℃。同時，Janus織物具有優越的光熱轉換效率（13%）和光熱加熱性能，在一次陽光照射下達到14.2℃。由于堅固的基材和輕便的涂層，該織物具有良好的耐磨性（即機械強度、柔韌性、滲透性），使該織物能夠更好地實際應用。高效耐用的Janus面料在未來全天候個人熱管理的織物研發中具有巨大潛力。相關研究成果以“MXene based Janus fabrics with radiative heating towards efficient personal thermal management”為題發表于《Chemical Engineering Journal》。
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圖文導讀
圖1 Janus織物的制備與鑒定。
展開 解決方案
典型的工程熱問題包括外太空的熱控、高溫輻射熱、高速氣動熱、常溫流動換熱、電子散熱等，這些一般都可以通過仿真來對比、驗證熱設計方案，通過相關測試獲取熱參數或標定熱模型。
外太空的熱控
衛星、空間站等工作中外太空，攜帶的燃料、光電轉換得到的電能等都是寶貴的資源，因此往往借助Dymola多學科一維系統仿真工具，進行整星的能量系統性能和控制進行仿真。
外太空的特點是軌道和姿態的影響大、低溫環境、對流弱。針對這些特性，Thermica可方便地設置太陽系內的各種衛星軌道，支持部件機動、多航天器相互指向等復雜姿態，基于光線追蹤法并行計算幾何角系數、軌道外熱流以及熱輻射等，Thermisol基于節點熱阻網絡分析整體的溫度場在軌道不同位置的熱狀態。
高溫輻射熱仿真
不僅低溫環境下存在強烈的熱輻射，常溫環境下高溫部件也會有強烈的熱輻射，比如火箭或飛機等的尾噴管會對其附近的設備等產生高溫熱輻射加熱，汽車的渦輪增壓器和排氣管也會對發動機艙內和底盤的線束、管路產生熱輻射加熱。Taitherm能夠快速分析并直觀展示熱輻射狀況，直接與常用CFD仿真工具耦合進行熱-流仿真，獲得長時間的瞬態熱狀況，用于發現潛在的熱害、設計合理的熱防護方案。
高速氣動熱仿真
對于返回艙、火箭、導彈、飛機等而言，因為其高速運動于大氣中，會產生嚴重的氣動熱效應，不僅涉及到熱，還與高速的空氣流動密不可分。FloEFD能夠根據幾何外形的曲率和壓力梯度等自動細化網格，并采用了先進的湍流修正模型和雙層壁面函數，能夠準確地分析高速氣動的熱狀況。
常溫流動與熱仿真
電機、燈、電池、泵、閥門等的仿真，難度則在于復雜幾何的準確模擬與高效簡化。
展開 圖5 輻射加熱方法制備InCl
3:CsPbI
2Br薄膜及對應器件的性能測試
(a) 輻射加熱方法制備InCl3:CsPbI2Br薄膜過程的示意圖；
(b) 表現最佳小面積（0.09 cm2）PSC的J-V曲線；
(c) 小面積器件在0.9V正向偏壓下器件的穩定功率輸出；
(d) 表現最佳大面積（1.00 cm2）PSC的J-V曲線；
(e) EQE曲線及積分電流密度曲線；
(f) 大面積器件在0.8V正向偏壓下器件的穩定功率輸出。
【小結】
在本文中，作者發現無機CsPbIxBr3?x薄膜上易出現白色斑點現象，結合掃描電子顯微鏡及高分辨拉曼光譜技術確定了白色斑點為δ相鈣鈦礦，該區域不僅極少貢獻光生載流子，而且會作為相變中心加速無機鈣鈦礦薄膜分解。研究者們利用In3+和Cl-共摻雜策略實現了CsPbI2Br鈣鈦礦結構中的Pb2+以及X-的部分替代，并在微觀水平上觀察到明顯的結構重組過程。通過進一步的熱輻射退火方法，改善了過度膜的均勻性，從未獲得了α相純凈且穩定的鈣鈦礦膜。小面積全無機InCl3: CsPbI2Br PSC的PCE為13.74%而平方厘米級器件的PCE為11.4%。值得注意的是，經InCl3摻雜的全無機CsPbI2Br PSC具有更優的穩定性，在空氣中保存80小時沒有出現效率的降低，而在空氣中60 °C加熱100小時后效率下降僅為20%。該研究提供了一種增強無機鈣鈦礦薄膜濕度穩定性及熱穩定性的方法，并為實現更高效率和更大面積的全無機PSC提供了解決方案。
展開 模具表面的加熱方式是溫控系統的關鍵技術，高光模具表面主要通過以下方式獲得熱量。一是以熱傳導為主的加熱方式，如通過模具內部管道的油、水、蒸汽、電熱元件等將熱量傳導到模具表面；二是以熱輻射為主的加熱方式，如將太陽能、激光束、電子束、紅外光、火焰、氣體等直接輻射模具表面；三是通過自身熱場加熱，如通過電阻、電磁感應加熱等使模具表面自身產生熱量。
目前實用的加熱系統有：高溫油傳熱的油溫機、高溫高壓水傳熱的高壓水溫機、蒸汽傳熱的蒸汽模溫機、電熱管傳熱的電熱模溫機，以及電磁感應加熱系統和紅外輻射加熱系統等。
（l）高溫油傳熱的油溫機
模具內部設計均勻的加熱或冷卻管道，通過油加熱系統達到模具預熱的功效，同時在注射過程有冷卻的作用。最高溫度可達350℃。由于油的熱傳導系數低，效率較低，而且產生的油氣影響高光成型質量，但效果比較不理想。但目前企業油溫機比較普遍，使用經驗豐富。
（2）高溫高壓水傳熱的高壓水溫機
模具內部設計均衡的管道，不同階段使用不同溫度的水。加熱時通入高溫過熱水，冷卻時切換為低溫冷卻水，實現模具表面的加熱或冷卻。如將水加壓，溫升還可達140～180℃，升溫很快。
高溫高壓的水溫控制系統的制造廠商有：如奧德的GWS系統，由于熱水可循環利用，運行成本較低，是目前國內市場上使用較多的一種,也是代替蒸汽的最佳選擇。
（3）蒸汽傳熱的蒸汽模溫機
同高壓水溫機作用原理相似，模具內部設計均衡的管道，加熱時通入蒸汽，冷卻時切換為低溫水，實現模具表面的加熱或冷卻（蒸汽加熱前一般還需要用壓縮空氣將管道吹干）。高溫高壓蒸汽加熱系統可使模具表面最高溫度達到160℃。由于蒸汽相對于水，其熱容較小，相對升溫時間較長。達到150℃模具表面溫度需要300℃左右的蒸汽。
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輻射加熱的最新內容
<p>在本研究中，我們基于ANSYS Workbench平臺開展了太陽能加熱鋁鍋的熱-結構耦合（熱固耦合）數值模擬分析，旨在揭示鋁鍋在太陽輻射加熱過程中的溫度場演化規律及其對結構應力與變形的影響。太陽能作為一種綠色可再生能源，其加熱過程伴隨著顯著的溫度梯度，尤其在鍋體壁厚不均或存在邊界散熱的情況下，更容易引發熱應力集中和局部形變。
太陽輻射加熱后，大棚內熱空氣沿著煙囪上升，在煙囪內裝有渦輪，上升的氣流就推動渦輪做功發電了，發電功率可達200MW。類似的項目還有很多，西班牙以及中國的西安，都有人嘗試，但基本都在概念試驗階段。
煙囪效應，除了以上這些正向的應用，其實還有危險所在。在高樓里面，有垂直上下長長的空間就類似煙囪。比如電梯井、樓梯間。這種結構平常可以增強樓里的通風，但是在火災情況下，卻起到了助燃效果。
被動式太陽能加熱和輻射制冷技術已經在水相變調控（蒸發和冷凝）、智能服裝（加熱和制冷）、智能窗戶（室內取暖和制冷）、冰去除和冰川保護等領域得到廣泛研究。然而，過去的研究往往將這兩種技術的探索視為相對獨立的，缺乏對它們聯合研究的系統性探索。
紅外加熱爐是一種利用紅外輻射技術進行加熱的熱處理設備。它通過將電能轉化為紅外輻射能量，直接將熱能傳遞給物體，達到加熱的目的。紅外加熱爐的工作原理是基于物體對紅外輻射的吸收。紅外輻射能量可以被各種物體直接吸收并轉化為熱能，而無需通過傳導或對流來傳遞熱量。當物體暴露在紅外輻射源附近時，紅外輻射能量被物體吸收，使物體內部溫度升高。
另一方面，可穿戴設備還應具有個人熱管理能力，通過被動輻射制冷和加熱，實現在炎熱和寒冷的天氣條件下都能夠為穿戴者提供舒適的溫度環境。因此，開發集柔性、透氣性、可拉伸的電磁屏蔽和個人被動熱管理能力于一體的可穿戴電子織物具有很大的應用前景，但如何實現拉伸過程中仍能保持穩定的電磁屏蔽性能以及成功集成個人熱管理能力仍然具有挑戰性。
該綜述全面概述光熱調控策略，并討論該領域的最新進展，重點包括：（1）光熱調控的基本原理，包括太陽能加熱轉換和輻射冷卻機理、過程及其評價方法；（2）高效光熱調節的基本標準；（3）用于高效太陽能加熱轉換和被動冷卻的新興光熱調節材料和典型結構；（4）太陽能加熱/制冷一體化系統的設計策略；（5）光熱調控在清潔能源和環境領域的應用進展。
該紡織品由輻射冷卻層、中間保溫層和輻射加熱層組成，其中多孔木質纖維素氣凝膠膜(LCAM)作為中間層，導熱系數低(0.0366 W/(m·K))，在寒冷天氣下保證較少的熱量損失，在炎熱天氣下阻擋外界熱量。聚二甲基硅氧烷(PDMS)的引入提高了大氣窗口輻射冷卻層的熱輻射率(90.4%)，并賦予其完美的自清潔性能。
該氣凝膠能夠實現可切換的熱調節，將被動輻射冷卻和加熱集成到一個材料系統中，以適應多變的環境。
暴露在環境條件下的表面會向周圍輻射熱量，并被太陽加熱。太陽輻射加熱的幅度很大——大約每平方米 1000 瓦，這不應該被忽視。關于模擬輻射到環境中的熱傳遞的詳細內容，請閱讀
我們之前的文章：什么是表面發射率？對傳熱計算有哪些影響？
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此外，還會有內表面之間
輻射傳熱
。表面之間的輻射熱通量是溫差四次方的函數。
(a)納米加工絲綢基輻射制冷紡織品; (b) Janus紡織品具有輻射冷卻和太陽能加熱功能，適合全天戶外個人熱管理; (c)分層纖維膜，利用輻射和蒸發散熱，以提高冷卻性能。
