ویکی‌جزوه/دانشکده:فنی و مهندسی/انتقال حرارت/انتقال حرارت تشعشعی

الگو:ادغام با الگو:ادغام با الگو:ادغام با

ضریب دید

ضریب دید برای محاسبه تبادل تشعشع بین دو سطح، ابتدا ضریب دید را (که به آن ضریب وضعیت یا ضریب شکل نیز گویند) تعریف می‌کنیم. ضریب دید کسری از تشعشع خروجی از سطح $j$ است که توسط سطح $i$ دریافت می‌شود. برای تعیین عبارت کلی $F i j$ ، سطوح $A i$ و $A j$ را که وضعیت آنها به طور اختیاری است در نظر می‌گیریم. مساحتهای جزیی هر سطح، $d A i$ و $d A j$ ، با خطی به طول R به هم وصل شده‌اند. این خط با عمودهای $n i$ و $n j$ وارده بر سطوح، به ترتیب، زوایای قطبی و را می‌سازد. مقادیر R، teta1 و teta2 با تغییر مکان جزء مساحت روی $A i$ و $A j$ تغییر می‌کنند.

از تعریف شدت تشعشع، معادله آهنگ تشعشعی را که از $d A i$ خارج و توسط $d A j$ دریافت می‌شود به صورت زیر می‌توان بیان کرد:

پرونده:Indexx.jpg

$\begin{matrix} {Q_{d A_{1}}}_{\to d A_{2}} = I_{1} \cos θ_{1} d A_{1} d w_{12} \\ d w_{12} = \frac{d s}{r^{2}} = \frac{d A_{2} \cos θ_{2}}{r^{2}} \\ Q_{d A_{1}} = \int_{s e m i - s p h e r e} Q_{d A_{1} \to d A_{2}} = π I_{1} d A_{1} \\ Q_{d A_{1}} = \int Q_{d A_{1}} = π I_{1} A_{1} \\ Q_{A_{1} \to A_{2}} = \iint_{A_{1} A_{2}} \frac{I_{1} \cos θ_{1} \cos θ_{2} d A_{1} d A_{2}}{r_{12}} \\ F_{1 - 2} = \frac{Q_{A_{1} \to A_{2}}}{Q_{A_{1}}} = \frac{1}{A_{1}} \iint_{A_{1} A_{2}} \frac{\cos θ_{1} \cos θ_{2}}{π r_{12}} d A_{1} d A_{2} \\ F_{2 \to 1} = \frac{1}{A_{2}} \iint_{A_{1} A_{2}} \frac{\cos θ_{1} \cos θ_{2} d A_{1} d A_{2}}{π r_{12}} \end{matrix}$

با برابر قرار دادن انتگرال‌ها رابطه مهم تقابل بدست می‌آید. در واقع برای تعیین یک ضریب دید از روی ضریب دید دیگر می‌توان از رابطه تقابل استفاده نمود. این رابطه به صورت زیر می‌باشد:

$A_{i} F_{i j} = A_{j} F_{j i}$

همچنین قانون جمع زنی زیر را برای هر یک از $N$ سطح داخل یک محفظه می‌توان بکار برد:

$\sum_{j = 1}^{N} F_{i j} = 1$

ضریب دید:

$F_{i \to j} = F_{i j} =$ میزان تابش دریافتی سطح j از سطح i به روی کل تابش سطح i

ّ $F_{i i}$

برای سطوح صاف = ۰

برای سطوح محدب = ۰

برای سطوح مقعر >0

برای یک محفظه بسته n سطحی:

تعداد مجهولات:

$n^{2}$

تعداد معادلات قانون جمع:

n

تعداد معادلات قانون عکس:

$\frac{n (n - 1)}{2}$

جمع کلیه روابط:

$\frac{n (n + 1)}{2}$

مثال)

محفظه سه سطحی:

تعداد مجهولات = ۹

قانون جمع = ۳

قانون عکس = ۳

۳ مجهول باید با استفاده از حل معادله تعیین شود.

حفاظ تشعشعی

حفاظ‌های تشعشعی از موادی با ضریب صدور کم ساخته می‌شوند و برای کاهش انتقال خالص تشعشع بین دو سطح بکار می‌برند. بدون وجود حفاظ تشعشعی نرخ خالص انتقال تشعشع بین سطوح ۱ و۲ افزایش می‌یابد. توجه کنید که ضریب صدور یک طرف حفاظ شاید با ضریب صدور یک طرف دیگر متفاوت باشد. با جمع کردن این مقاومت‌ها داریم:

${\dot{Q}}_{12, n o s h i e l d} = \frac{A σ ({T_{1}}^{4} - {T_{2}}^{4})}{\frac{1}{ε_{1}} + \frac{1}{ε_{2}} - 1}$

و در صورتی که حفاظ داشته باشیم:

${\dot{Q}}_{12, o n e s h i e l d} = \frac{E_{b 1} - E_{b 2}}{\frac{1 - ε_{1}}{A_{1} ε_{1}} + \frac{1}{A_{1} F_{12}} + \frac{1 - ε_{31}}{A_{3} ε_{31}} + \frac{1 - ε_{32}}{A_{3} ε_{32}} + \frac{1}{A_{3} F_{32}} + \frac{1 - ε_{2}}{A_{2} ε_{2}}}$

$\begin{matrix} F_{13} = F_{23} = 1 \\ A_{1} = A_{2} = A_{3} = A \\ Q_{12, o n e s h i e l d} = \frac{A σ ({T_{1}}^{4} - {T_{2}}^{4})}{(\frac{1}{ε_{1}} + \frac{1}{ε_{2}} - 1) + (\frac{1}{ε_{31}} + \frac{1}{ε_{32}} - 1)} \end{matrix}$

پس در حالت کلی و با در نظر گرفتن N حفاظ تشعشعی می‌توانیم بنویسیم:

$\begin{matrix} Q_{12, N s h i e l d} = \frac{A σ ({T_{1}}^{4} - {T_{2}}^{4})}{(\frac{1}{ε_{1}} + \frac{1}{ε_{2}} - 1) + (\frac{1}{ε_{31}} + \frac{1}{ε_{32}} - 1) + . . . . + (\frac{1}{ε_{N 1}} + \frac{1}{ε_{N 2}} - 1)} \\ {\dot{Q}}_{12, N s h i e l d} = \frac{1}{N + 1} \frac{A σ ({T_{1}}^{4} - {T_{2}}^{4})}{\frac{1}{ε_{1}} + \frac{1}{ε_{2}} - 1} = \frac{1}{N + 1} {\dot{Q}}_{12, n o s h i e l d} \end{matrix}$

تبادل گرمایی بین اجسام غیر سیاه

در جسم سیاه تمام انرژی تابشی فرودی جذب می‌شود در حالی که در جسم غیر سیاه اینطور نیست و بخشی از انرژی جذب می‌شود و بخشی دیگر به سمت سطحی دیگر منعکس می‌شود و ممکن است بخشی از آن به کلی از سیستم خارج شود.

برای اثبات فرمولها دو پارامتر زیر را تعریف می‌کنیم:

G : پرتوگیری (شدت تابش ورودی)

J: شدت تابش خروجی

$J = \in E_{b} + ρ G$

$\in$ ضریب گسیل

$E_{b}$ توان گسیل جسم سیاه

$ρ$ ضریب انعکاس

$ρ = 1 - α = 1 - \in$

$J = \in E_{b} + (1 - \in) G$

$\frac{q}{A} = J - G = \in E_{b} + (1 - \in) G - G$

$q = \frac{\in A}{1 - \in} (E_{b} - J)$

$q = \frac{E_{b} - J}{^{(1 - \in)} ╱_{\in A}}$

اگر مخرج کسر بالا را مقاومت سطح در برابر انتقال گرمای تابشی و صورت کسر را اختلاف پتانسیل آنگاه می‌توان یک شبکه مانند شکل دید.

پرونده:Tasvire 1.jpg

تبادل انرژی تابشی توسط دو سطح A1 و A2 را در نظر بگیرید.

بخشی از کل مقدار تابش که از سطح ۱ به سطح ۲ می‌رسد:

$J_{1} A_{1} F_{12}$

بخشی از کل مقدار تابش که از سطح ۲ به سطح ۱ می‌رسد:

$J_{2} A_{2} F_{21}$

تبادل خالص بین دو سطح از رابطه زیر بدست می‌آید:

$q_{1 - 2} = J_{1} A_{1} F_{12} - J_{2} A_{2} F_{21}$

$A_{1} F_{12} = A_{2} F_{21}$

$q_{1 - 2} = (J_{1} - J_{2}) A_{1} F_{12} = (J_{1} - J_{2}) A_{2} F_{21}$

$\to q_{1 - 2} = \frac{J_{1} - J_{2}}{^{1} ╱_{A_{1} F_{12}}}$

$q_{1 - 3} = \frac{J_{1} - J_{2}}{^{1} ╱_{A_{1} F_{13}}}$

انتقال گرمای تشعشی در گازها

انتقال گرمای تشعشعی در گازها ناشی از انرژی چرخشی مولکول‌ها و نوسان‌های اتمی داخل مولکول هاست.

جذب و صدور تشعشع در گازها بر خلاف سطوح جامد در محدوده‌ای کوچک از طول موج‌ها صورت می‌گیرد. به طور کلی گازهایی مانند هیدروژن هلیوم اکسیژن در دماهای پایین نسبت به تشعشع، شفاف هستند. در صورتی که گازهایی مانند دی اکسید کربن و مونواکسید کربن درای تشعشع هستند.

می‌توان گفت معمولاً گازهایی که دارای ساختمان قطبی هستند در دماهای پایین نسبت به تشعشع شفافند.

در حالت کلی ضرایب صدور و جذب گارها پایین است. مثلاً ضریب صدور بخار آب و یا دی اکسید کربن کمتر از ۰٫۱ است که اگر آن را با ضریب صدور دوده که ۰٫۹۵ است مقایسه کنیم بسیار پایین است.

در حالتی که مخلوط دو گاز را داشته باشیم تشعشع کلی مخلوط دو گاز کمتر از تشعشع هر گاز به صورت تنها خواهد بود، چون ممکن است هر یک از گازها نسبت به تشعشع گاز دیگر کدر باشد.

قانون بیر (Beer)

موقعی که اشعه تابشی از توده گازی عبور می‌کند به تدریج توان نشر آن کم می‌شود. قانون بیر نشان می‌دهد که این کاهش به صورت نمایی است.

لازم است ذکر شود که عامل تعیین کننده ضرایب صدور و جذب در یک فضا، تعداد کل مولکول‌های تابشی موجود در آن فضا است.

ضریب صدور یک گاز به دما، فشار جزیی، جنس گاز، شکل هندسی توده گاز و طول موج وابسته‌است و با افزایش فشار کل گاز ضریب صدور آن افزایش می‌یابد، ولی با افزایش دما ضریب صدور گاز کاهش می‌یابد.

جذب حجمی:

ذب طیفی تشعشع در گازها یا در مایعات و جامدات نیمه شفاف تابعی از ضریب جذب $k_{λ}$ و ضخامت $L$ محیط است. اگر نور تک فامی با شدت $I_{λ, 0}$ بر محیط بتابد شدت ان بر اثر جذب کاهش می‌یابد و کاهش حاصل را در لایه بی‌نهایت کوچکی به ضخامت $d x$ به صورت زیر می‌توان بیان کرد:

$I_{λ} (x + d x) - I_{λ} (x) = k_{λ} I_{λ} (x) d x$

قابلیت جذب: $k_{λ}$

با جدا کردن متغییرها و انتگرال گیری روی تمام لایه خواهیم داشت:

$\int \frac{d I_{λ}}{I_{λ}} = - \int k_{λ} d x$

که در آن فرض می‌شود $k_{λ}$ مستقل $x$ از است.

$\frac{I_{λ, L}}{I_{λ, 0}} = e^{- k_{λ} L}$

به این کاهش نمایی قانون بیر گفته می‌شود که وسیله مفیدی برای تحلیل تقریبی تشعشع است. مثلاً از آن برای جذب مندی طیفی کلی محیط می‌توان استفاده کرد. به خصوص با تعریف عبور پذیری به صورت زیر:

$τ_{λ} = \frac{I_{λ, L}}{I_{λ, 0}} = e^{- k_{λ} L}$

برای جذب مندی داریم:

$α_{λ} = 1 - τ_{λ} = 1 - \frac{I_{λ, L}}{I_{λ, 0}} = 1 - e^{- k_{λ} L}$

هرگاه گازی با دمای Tg و ضریب جذب $\propto_{g}$ و ضریب صدور $ε_{g}$ با یک سطح جامد با دمای Ts تبادل تشعشی کند، نرخ خالص تبادل تشعشع از رابطه زیر بدست می‌آید.

$q = A_{s} σ (ε_{g} T_{g}^{4} - \propto_{g} T_{s}^{4})$

انتقال گرمای مرکب

در اغلب کاربردها، هدایت و یا جابه‌جایی با تشعشع قابل مقایسه‌اند و باید در تجربه و تحلیل انتقال گرما لحاظ شوند. شکل زیر را در نظر بگیرید، فرض کنید که این صفحه توسط یک گرمکن الکتریکی گرم می‌شود و از طریق هدایت و جابه‌جایی و تابش با محیط انتقال حرارت دارد.

پرونده:A1001.jpg

از موازنه انرژی سطحی داریم:

q_{i, e x t} = q_{i, r a d} + q_{i, c o n v} + q_{i, c o n d}

در این رابطه $q_{i, r a d}$ نرخ خالص انتقال تشعشع از سطح بوده و $q_{i, c o n d}$ و $q_{i, c o n v}$ به ترتیب نرخ انتقال حرارت هدایت و جابه‌جایی از سطح است. $q_{i, e x t}$ هم گرمای انتقال یافته به سطح است. به طور کلی $q_{i, r a d}$ از یکی از دو رابطه زیر بدست می‌آید و $q_{i, c o n d}$ و $q_{i, c o n v}$ هم با توجه به شرایط از روابط مربوط به خود بدست می‌آیند.

\begin{matrix} q_{i} = \frac{E_{b i} - J_{i}}{(1 - ε_{i}) / ε_{i} A_{i}} \\ q_{i} = \sum_{j = 1}^{N} A_{i} F_{i j} (J_{i} - J_{j}) = \sum_{j = 1}^{N} q_{i j} \end{matrix}

مدار تشعشعی نظیر شکل قبل به صورت زیر خواهد بود.

پرونده:A1002.jpg

باید توجه داشت که $q_{i, c o n d}$ و $q_{i, c o n v}$ با اختلاف بین دماها متناسب‌اند ولی $q_{i, r a d}$ با اختلاف توان چهارم دماها تناسب دارد. اگر پشت سطح عایقبندی باشد، شرایط مسئله ساده‌تر می‌شود و در این حالت $q_{i, c o n d} = 0$ است. علاوه بر این اگر گرمایش خارجی وجود نداشته و جابه‌جایی ناچیز باشد، سطح بازتابنده خواهد بود.

مثال‌ها

مثال۱

پرونده:Pic1.jpg

مطابق جدول ۲–۱۳ کتاب ضریب دید برای دیسکهای موازی هم محور مطابق فرمول داده شده‌است.

$\begin{matrix} R_{1} = \frac{r_{1}}{L} \\ R_{2} = \frac{r_{2}}{L} \\ S = 1 + \frac{1 + {R_{2}}^{2}}{{R_{1}}^{2}} \\ F_{1 \to 2} = \frac{1}{2} {S - {[S^{2} - 4 {(\frac{r_{2}}{r_{1}})}^{2}]}^{\frac{1}{2}}} \end{matrix}$

مثال۲

محاسبه ضریب دید برای دو کره که یکی درون دیگری قرار گرفته‌است:

$\begin{matrix} F_{11} = 0 \\ F_{11} + F_{12} = 1 \to F_{12} = 1 \\ A_{2} F_{21} = A_{1} F_{12} \to F_{21} = \frac{A_{1}}{A_{2}} = {(\frac{D_{1}}{D_{2}})}^{2} \\ F_{21} + F_{22} = 1 \to F_{22} = 1 - \frac{A_{1}}{A_{2}} \end{matrix}$

مثال۳

ضریب دید سطوح مثلث متساوی الاضلاع داده شده را بیابید؟

پرونده:Adam23.jpg

$\begin{matrix} F_{11} + F_{12} + F_{13} = 1 \mapsto F_{11} = 0 \Rightarrow F_{12} + F_{13} = 1 \\ F_{21} + F_{22} + F_{23} = 1 \mapsto F_{22} = 0 \Rightarrow F_{21} + F_{23} = 1 \\ F_{31} + F_{32} + F_{33} = 1 \mapsto F_{33} = 0 \Rightarrow F_{31} + F_{32} = 1 \\ A_{1} F_{12} = A_{2} F_{21} \\ A_{2} F_{23} = A_{3} F_{32} \\ A_{3} F_{31} = A_{1} F_{13} \end{matrix}$

مثال۴

دو صفحه عمود برهم بی‌نهایت را در نظر بگیرید. اگر صفحه عمودی را ۱ در نظر بگیریم $F_{12}$ را بدست آورید.

حل:

یک سطح سوم را در نظر می‌گیریم به شکلی که یک محفظه بسته تشکیل شود.

$A : F_{11} = F_{22} = F_{33} = 0$

$B : F_{11} + F_{12} + F_{13} = 1$

$C : F_{21} + F_{22} + F_{23} = 1$

$D : F_{31} + F_{32} + F_{33} = 1$

با ساده‌سازی معادلات بالا داریم:

$F_{12} + F_{13} = 1$

$F_{21} + F_{23} = 1$

$F_{32} + F_{31} = 1$

حال از قانون عکس استفاده می‌کنیم:

$E : L_{1} F_{12} = L_{2} F_{21}$

$F : L_{1} F_{13} = L_{3} F_{31}$

$G : L_{2} F_{23} = L_{3} F_{32}$

از این سه رابطه برای ساده کردن سه معادله قبل بهره می‌بریم:

$F_{12} + F_{13} = 1$

$\frac{L_{1}}{L_{2}} F_{12} + F_{23} = 1$

با رابطه اول یک دستگاه دو مجهولی ایجاد می‌کنیم:

$\frac{L_{1}}{L_{2}} F_{12} + F_{23} = 1$

$\frac{L_{1}}{L_{3}} {(1 - F}_{12}) + \frac{L_{2}}{L_{3}} F_{23} = 1$

حال باحذف یک مجهول از دستگاه داریم:

$\frac{L_{1}}{L_{3}} {(1 - F}_{12}) + \frac{L_{2}}{L_{3}} [1 - \frac{L_{1}}{L_{2}} F_{12}] = 1$

$F_{12} = \frac{L_{1} + L_{2} - L_{3}}{2 L_{1}}$

که در اینجا

$L_{3} = {[L_{1}^{2} + L_{2}^{2}]}^{\frac{1}{2}}$

مثال۵

برای شکل زیر  $F_{12}$  را بدست آورید.

پرونده:Exa3.jpg

$\begin{matrix} F_{11} = 0, F_{22} = 0, F_{33} = 0 \\ F_{11} + F_{12} + F_{13} = 1 \\ F_{21} + F_{22} + F_{23} = 1 \\ F_{31} + F_{32} + F_{33} = 1 \\ L_{1} F_{12} = L_{2} F_{21} \\ L_{1} F_{13} = L_{3} F_{31} \\ L_{2} F_{23} = L_{3} F_{32} \\ F_{12} = \frac{L_{1} + L_{2} - L_{3}}{2 L_{1}} \end{matrix}$

مثال۶

مقدار  $F_{12}$  را بیابید.

پرونده:8797nn.jpg

حل: یک سطح کمکی می‌گیریم به طول 2L آن را $L_{3}$ می‌نامیم. فاصله خالی را $L_{4}$ می‌نامیم. از مثال قبل نیز استفاده می‌کنیم.

$F_{13} = \frac{L + 2 L - \sqrt{5 L}}{2 L}$

$F_{13} = F_{14} + F_{12}$

$F_{14} = \frac{L + L - \sqrt{2 L}}{2 L} = 1 - \frac{\sqrt{2}}{2}$

$F_{13} - F_{14} = F_{12}$

$F_{12} = \frac{1 - \sqrt{5} + \sqrt{2}}{2}$

مثال۷

برای شکل زیر $F_{12}$ را بدست آورید.

پرونده:Exa5-1.jpg

با تشکیل یک محفظه بسته مستطیلی شکل می‌توان قانون جمع را نوشت:

پرونده:Exa5-2.jpg

$F_{11} + F_{12} + F_{13} + F_{14} = 1$

با رسم خط فرضی $R$ یک مثلث تشکیل داده و خواهیم داشت:

پرونده:Exa5-3.jpg

$F_{13} = \frac{L_{1} + L_{2} - R_{1}}{2 L_{1}}, (R_{1} = \sqrt{L_{1}^{2} + L_{2}^{2}})$

به شکلی مشابه مطابق شکل خط $R_{2}$ را رسم کرده و خواهیم داشت:

پرونده:Exa5-4.jpg

$_{F_{14} = \frac{L_{1} + L_{2} - R_{2}}{2 L_{1}}, (R 2 = \sqrt{L_{1}^{2} + L_{2}^{2}})}$

و نهایتاً با توجه به اینکه $F_{11} = 0$ خواهیم داشت:

$F_{12} = 1 - \frac{L_{1} + L_{2} - \sqrt{L_{1}^{2} + L_{2}^{2}}}{L_{1}} = \sqrt{1 + {(\frac{L_{2}}{L_{1}})}^{2}} - \frac{L_{2}}{L_{1}}$

مثال۸

برای شکل زیر  $F_{12}$  و  $F_{22}$  را محاسبه کنید.

پرونده:Exa6-1.jpg

با استفاده از جدول ۱–۱۳ کتاب انتقال حرارت اینکروپرا (ویرایش چهارم) ضریب دید برای دو دیسک موازی هم محور به طریق زیر محاسبه می‌شود:

پرونده:Exa6-2.jpg

$\begin{matrix} R_{j} = \frac{r_{j}}{L} = 0.25 \\ S = 1 + \frac{1 + R_{j}^{2}}{R_{i}^{2}} = 18 \\ F_{i j} = F_{13} = \frac{1}{2} [S - {[S^{2} - 4 {(r_{j} / r_{i})}^{2}]}^{\frac{1}{2}}] = 0.056 \end{matrix}$

با نوشتن قانون جمع:

$\begin{matrix} F_{11} + F_{12} + F_{13} = 1 \\ F_{11} = 0 \\ F_{12} = 1 - F_{13} = 0.944 \end{matrix}$

$\begin{matrix} F_{21} + F_{22} + F_{23} = 1 \\ A_{2} F_{21} = A_{1} F_{12} \to F_{21} = \frac{\frac{π}{4} D^{2}}{π D L} F_{12} = 0.944 \end{matrix}$

از تقارن خواهیم داشت:

$F_{23} = F_{21}$

$F_{22} = 1 - 2 F_{21} = 0.764$

مثال۹

دو صفحه عمود برهم بی‌نهایت را در نظر بگیرید. اگر صفحه عمودی را ۱ در نظر بگیریم $F_{12}$ را بدست آورید.

حل:

یک سطح سوم را در نظر می‌گیریم به شکلی که یک محفظه بسته تشکیل شود.

$A : F_{11} = F_{22} = F_{33} = 0$

$B : F_{11} + F_{12} + F_{13} = 1$

$C : F_{21} + F_{22} + F_{23} = 1$

$D : F_{31} + F_{32} + F_{33} = 1$

با ساده‌سازی معادلات بالا داریم:

$F_{12} + F_{13} = 1$

$F_{21} + F_{23} = 1$

$F_{32} + F_{31} = 1$

حال از قانون عکس استفاده می‌کنیم:

$E : L_{1} F_{12} = L_{2} F_{21}$

$F : L_{1} F_{13} = L_{3} F_{31}$

$G : L_{2} F_{23} = L_{3} F_{32}$

از این سه رابطه برای ساده کردن سه معادله قبل بهره می‌بریم:

$F_{12} + F_{13} = 1$

$\frac{L_{1}}{L_{2}} F_{12} + F_{23} = 1$

با رابطه اول یک دستگاه دو مجهولی ایجاد می‌کنیم:

$\frac{L_{1}}{L_{2}} F_{12} + F_{23} = 1$

$\frac{L_{1}}{L_{3}} {(1 - F}_{12}) + \frac{L_{2}}{L_{3}} F_{23} = 1$

حال باحذف یک مجهول از دستگاه داریم:

$\frac{L_{1}}{L_{3}} {(1 - F}_{12}) + \frac{L_{2}}{L_{3}} [1 - \frac{L_{1}}{L_{2}} F_{12}] = 1$

$F_{12} = \frac{L_{1} + L_{2} - L_{3}}{2 L_{1}}$

که در اینجا

$L_{3} = {[L_{1}^{2} + L_{2}^{2}]}^{\frac{1}{2}}$

مثال۱۰

دو صفحه موازی بینهایت در مقابلا یکدیگر به فاصله L قرار دارند. مقدار $F_{12}$ را بیابید.

پرونده:Exa4-1.jpg

حل: یک سطح کمکی می‌گیریم به طول 2L آن را $L_{3}$ می‌نامیم. فاصله خالی را $L_{4}$ می‌نامیم. از مثال قبل نیز استفاده می‌کنیم.

$F_{13} = \frac{L + 2 L - \sqrt{5 L}}{2 L}$

$F_{13} = F_{14} + F_{12}$

$F_{14} = \frac{L + L - \sqrt{2 L}}{2 L} = 1 - \frac{\sqrt{2}}{2}$

$F_{13} - F_{14} = F_{12}$

$F_{12} = \frac{1 - \sqrt{5} + \sqrt{2}}{2}$

مثال۱۱

یک استوانه به ارتفاع ۲ متر وقطر ۱ متر در نظر بگیرید. اگر سطح بالا ۱ و اطراف ۲و زیر را ۳ بنامیم. مقدار $F_{22}$ و $F_{12}$ را بیابید.

حل:

$F_{11} = F_{33} = 0$

$F_{13} = \frac{1}{2} [s - {[s^{2} - 4 ({\frac{r_{j}}{r_{i}})}^{2}]}^{\frac{1}{2}}]$

$R_{i} = \frac{r_{i}}{L} = \frac{D}{2 L} = 0.25$

$R_{j} = \frac{r_{j}}{L} = \frac{D}{2 L} = 0.25$

$S = 1 + \frac{1 + {R_{j}}^{2}}{{R_{i}}^{2}} = 18$

$F_{13} = 0.056$

$F_{11} + F_{12} + F_{13} = 1$

$F_{12} + F_{13} = 1$

$F_{21} = F_{23}$

$F_{21} + F_{22} + F_{23} = 1$

$F_{23} + 2 F_{21} = 1$

$F_{21} = \frac{A_{1}}{A_{2}} F_{12} = \frac{π D^{2}}{4 π D L} F_{12} = 0.118$

$F_{22} = 1 - 2 F_{21} = 0.764$

مثال ۱۲

شکل زیر را در نظر بگیرید. دمای محیط اطراف ۳۰۰ درجه کلوین است. سطح ۲ عایق است و به سطح ۱ که در دمای ۷۰۰ درجه کلوین است شار گرمایی q داده می‌شود. دمای سطح ۲ و مقدار q داده شده به سطح یک را حساب کنید. مساحت سطوح با هم برابر و برابر واحد است.

پرونده:A111.JPG

حل: در نظر یگیریم که به منظور حل این مسئله ابتدا باید سطح سوم که همچون سیاه بوده و هم دما با دمای محیط است را به شکل اضافه کنیم تا محفظه بسته داشته باشیم و بهتر بتوانبم مسئله را حل کنیم.

$\begin{matrix} F_{11} = F_{22} = F_{33} = 0 \\ F_{11} + F_{12} + F_{13} = 1 \\ F_{21} + F_{22} + F_{23} = 1 \\ F_{31} + F_{32} + F_{33} = 1 \end{matrix}$

با ساده‌سازی داریم

$\begin{matrix} F_{12} + F_{13} = 1 \\ F_{21} + F_{23} = 1 \\ F_{31} + F_{32} = 1 \end{matrix}$

مساحت‌ها با هم برابر است.

$F_{12} A_{1} = F_{21} A_{2} \Rightarrow F_{12} = F_{21}$

از طرفی هم با توجه به روابط بالا داریم: $F_{13} = F_{23}$

در نتیجه با توجه به جدول ۱۳–۱ کتاب

$F_{12} = F_{21} = \frac{L + L - \sqrt{2} L}{2 L} = 0.29$

$F_{23} = \frac{L - \sqrt{2} L - L}{2 L} = 0.71$

نمودار معادل این جسم به شکل زیر است پرونده:A-11-sd.PNG

$R_{12} = \frac{1}{A_{1} F_{12}} = 3.41 m^{- 2}, R_{13} = \frac{1}{A_{1} F_{13}} = 1.41 m^{- 2}, R_{23} = \frac{1}{A_{2} F_{23}} = 1.41 m^{- 2}$

پرونده:344-33.PNG

دمای سطوح یک و سه مشخص است. پس می‌توانیم با نوشتن رابطه بین این دو سطح به مقدار q سطح یک دسترسی پیدا کنیم. ابتدا مقاومت معادل بین این دو سطح را حساب می‌کنیم و سپس مقدار q سطح یک را به دست می‌آوریم.

$\begin{matrix} R_{t o t} = \frac{R_{13} \times (R_{12} + R_{23})}{R_{13} + R_{12} + R_{23}} = 1.09 m^{- 2} \\ q_{1} = \frac{E_{b, 1} - E_{b, 3}}{R_{t o t}} = \frac{σ}{R_{t o t}} (T_{1}^{4} - T_{3}^{4}) = 12.25 k w \end{matrix}$

$E_{b, 2} = - (q_{1} - \frac{σ (T_{1}^{4} - T_{3}^{4})}{R_{t o t}}) R_{12} + σ T_{1}^{4} = 4.421 \Rightarrow T_{2} = 528 k$

مثال۱۳

برای کورهٔ موجود در شکل زیر که سطح کنارهٔ آن عایق است، دمای سطح ۱ را به دست آورید. دمای هوای اطراف ۳۰۰ کلوین است و قسمت بالایی کوره آزاد است.

پرونده:2323-12.PNG

حل: سطح ۳ با خصوصیات جسم سیاه و با دمای هوای اطراف را به شکل اضافه می‌کنیم. برای محاسبه ضریب دید سطح ۱ نسبت به سطح ۳ از فرمول‌های جدول ۲–۱۳ کتاب استفاده می‌کنیم. سپس با نوشتن رابطه تقابل بین سطوح و همچنین رابطه مجموع ضریب دید سطوح محفظه می‌توانیم ضریب‌های دید مجهول را به دست آوریم. با توجه به شکل نمودار معادل این مسئله نیاز هست که پس از پیدا کردن ضریب سطوح، مقومت‌های بین سطوح هم محاسبه شود.

$\begin{matrix} F_{21} = F_{33} = 0, q_{2} = 0 \\ R_{1} = \frac{r_{1}}{L} = \frac{0.5}{2} 0.25, R_{3} = \frac{r_{3}}{L} = \frac{0.5}{2} 0.25 \\ S = 1 + \frac{1 + {(0.25)}^{2}}{{(0.25)}^{2}} = 18 \Rightarrow F_{13} = \frac{1}{2} {18 - {[18^{2} - 4 {(\frac{0.5}{0.5})}^{2}]}^{\frac{1}{2}}} = 0.055 \\ F_{11} + F_{12} + F_{13} = 1 \Rightarrow F_{12} = 1 - 0.055 = 0.945 \\ F_{22} + F_{23} + F_{21} = 1, F_{21} = F_{23}, A_{1} F_{12} = A_{2} F_{21} \Rightarrow F_{21} = 0.12 \\ \Rightarrow F_{22} = 1 - 2 F_{21} = 0.54 \\ R_{12} = \frac{1}{A_{1} F_{12}} = 1.34 m^{- 2}, R_{13} = \frac{1}{A_{1} F_{13}} = 23.141 m^{- 2}, R_{32} = \frac{1}{A_{2} F_{23}} = 1.34 m^{- 2} \end{matrix}$

نمودار معادل این کوره به شکل روبروست. پرونده:A-11-sd.PNG

نمودار معادل بین سطح ۱ و سطح ۳ به شکل زیر است که در آن دارریم:

پرونده:4-yatr.PNG

$\begin{matrix} R_{t o t} = \frac{R_{13} \times (R_{12} + R_{23})}{R_{13} + R_{12} + R_{23}} = 2.4 m^{- 2} \\ q_{1} = \frac{E_{b, 1} - E_{b, 3}}{R_{t o t}} \Rightarrow E_{b, 1} = R_{t o t} q_{1} + σ T_{3}^{4} = 94^{k w} ╱_{m^{2}} \end{matrix}$

$E_{b, 1} = σ T_{1}^{4} \Rightarrow T_{1} = 1134 k$

مثال۱۴

در صورتی که ضریب دید تشعشعی بین دو صفحه بالا و پایین یک مکعب برابر ۰٫۲۵ باشد ضریب دید صفحه بالایی مکعب با یکی از صفحات جانبی چقدر می‌شود؟

ره حل سؤال ۱: بطور کلی در حل ضرایب دید برای سطوح مکعب شکل و کلیه سطوحی که به نوعی تقارن دارند اگر تقارن را درست تشخیص دهیم مسئله خیلی ساده حل می‌شود:

سطح بالایی مکعب را سطح شماره ۱ سطح پایین مکعب را سطح شماره ۲ و سطوح جانبی را شماره ۳ تا ۶ نامگذاری می‌کنیم از قانون جمع داریم:

$F_{11} + F_{12} + F_{13} + F_{14} + F_{15} + F_{16} = 1$

میدانیم: $F_{11} = 0$

از طرفی به لحاظ تقارن داریم: $F_{13} = F_{14} = F_{15} = F_{16}$

بنابراین:

$0.25 - 4 F_{13} = 1$

$F_{13} = \frac{3}{16}$

مثال۱۵

سطوح بالایی و جانبی یک کورهٔ مکعبی، سیاه در نظر گرفته می‌شوند و در دمای ثابت نگه داری می‌شوند. نرخ انتقال حرارت خالص تشعشعی به سطح کف از سطوح بالایی و جانبی را تعیین کنید.الگو:سخ فرض: شرایط عملکرد پایا و سطوح کدر و پخشی و خاکستری هستند و حرارت جابجایی در نظر گرفته نمی‌شود.الگو:سخ آنالیز: سطح پایینی را سطح ۱ و سطح بالایی را ۲ و سطح جانبی را ۳ در نظر می‌گیریم. سیلندر مکعبی می‌تواند به عنوان یک سطح بسته سه تایی با شبکه تشعشعی زیر نشان داده شده‌است

$A_{1} = A_{2} = 100 f t^{2}$ الگو:سخ $A_{3} = 400 f t^{2}$

$E_{b} (T 1) = σ {T 1}^{4} = 0.1714 * 1 0^{- 8} * 80 0^{4} = 702$ الگو:سخ $E_{b} (T 2) = σ {T 2}^{4} = 0.1714 * 1 0^{- 8} * 160 0^{4} = 1233$ الگو:سخ $E_{b} (T 3) = σ {T 3}^{4} = 0.1714 * 1 0^{- 8} * 240 0^{4} = 56866$

ضریب دید از کف به سطح بالایی مکعب $F_{12} = 0.2$ است و از قانون جمع زنی ضرایب دید این گونه محاسبه می‌شوند. الگو:سخ الگو:سخ $F_{11} + F_{12} + F_{13} = 0$ الگو:سخ الگو:سخ $F_{13} = 1 - F_{12} = 1 - 0.2 = 0.8$

از آن جا که سطح کف تخت است $F_{11} =$ بنابراین مقاومت‌های تشعشعی به صورت زیر تعیین می‌شوند.

$R_{1} = \frac{1 - ε_{1}}{A_{1} ε_{1}} = 0.0043$ $R_{12} = \frac{1}{A_{1} F_{12}} = 0.05 {f t}^{- 2}, R_{13} = \frac{1}{A_{1} F_{13}} = 0.0125 {f t}^{- 2}$ >

با توجه به این که سطوح جانبی و بالایی سیاه هستند، بنابراین گسیلندگی آن‌ها برابر با توان خروجی آن هاست

$\frac{E_{b, 1} - j_{1}}{R_{1}} + \frac{E_{b, 2} - j_{1}}{R_{12}} + \frac{E_{b, 3} - E_{j, 1}}{R_{13}} = 0$ الگو:سخ

$\frac{702 - j_{1}}{0.0043} + \frac{11233 - j_{1}}{0.500} + \frac{56860 - j_{1}}{0.0125} = 0$

نرخ خالص انتقال حرارت تشعشعی میان کف و سطوح جانبی

الگو:سخ $Q_{31} = \frac{E_{b, 3} - j_{1}}{R_{13}} = \frac{5866 - 15054}{0.0125} = 3.3 * 1 0^{6}$

نرخ خالص انتقال حرارت تشعشعی میان کف از سطح بالایی

$Q_{12} = \frac{j_{1} - E_{b, 1}}{R_{12}} = \frac{15054 - 11233}{0.05} = 7.6 * 1 0^{4}$ الگو:سخ

نرخ خالص انتقال حرارت به کف سرانجام این گونه محاسبه می‌شود

$Q_{1} = Q_{21} + Q_{31} = - 76420 + 3344960 = 3.2 * 1 0^{6}$ الگو:سخ الگو:سخبحث: نتایج مشابه این گونه محاسبه می‌شود $Q_{1} = \frac{15054 - 702}{0.0043} = 3.338 * 1 0^{6}$

مثال۱۶

یک کوره را در نظر که گرما با نرخ 50 kw/m2 به کف آن داده می‌شود و اطراف آن یک کویل آب سرد پیچیده شده‌است. اگر دمای سطح جانبی کوره 400K باشد و دهانه کوره نیز به محیط باز باشد، دمای کف کوره T1 و گرمای انتقال یافته به آب سرد q2 را بدست آورید.

دمای محیط 300K است و قطر و طول کوره به ترتیب 1 m و 2 m است.

برای حل مسئله ابتدا باید یک سطح فرضی در دهانه کوره در نظر بگیریم (سطح ۳).

پرونده:A1003.jpg

داده‌های مسئله

$T_{s u r} = T_{3} = 300 K$

$T_{2} = 400 K$

${q^{″}}_{1} = 50 k w / m^{2}$

مقادیر ضریب شکل برای این کوره به صورت زیر است:

$F_{13} = 0.055$

$F_{12} = F_{32} = 0.945$

$F_{21} = F_{23} = 0.12$

$F_{22} = 0.76$

حل مسئله

پرونده:A1004.jpg

$R_{12} = \frac{1}{A_{1} F_{12}} = 1.34 m^{- 2}$

$R_{32} = \frac{1}{A_{3} F_{32}} = 1.34 m^{- 2}$

$R_{13} = \frac{1}{A_{1} F_{13}} = 23.14 m^{- 2}$

$q_{1} = {q^{″}}_{1} \times A_{1} = 39.26 k w$

$q_{1} = \frac{E_{b 1} - E_{b 2}}{R_{12}} + \frac{E_{b 1} - E_{b 3}}{R_{13}} = \frac{σ (T_{1}^{4} - T_{2}^{4})}{R_{12}} + \frac{σ (T_{1}^{4} - T_{3}^{4})}{R_{12}}$

$\Rightarrow \underline{T_{1} = 980 K}$

$q_{1} = \frac{E_{b 2} - E_{b 1}}{R_{21}} + \frac{E_{b 2} - E_{b 3}}{R_{23}} = \frac{σ (T_{2}^{4} - T_{1}^{4})}{R_{21}} + \frac{σ (T_{2}^{4} - T_{3}^{4})}{R_{23}}$

$\Rightarrow \underline{q_{2} = - 29.67 k w}$

مثال۱۷

یک کوره استوانه‌ای داریم، که دیواره آن عایق شده و بالای آن باز است.

پرونده:Zarib did3.jpg

فرضیات: دمای سطوح یکنواخت است.

سطوح را جسم سیاه فرض کنید.

جابجایی آزاد را برای دیواره داخلی لحاظ کنید. h= ۱۰

مطلوب:

حرارت مورد نیاز برای اینکه دمای سطح در ۱۰۰۰ کلوین ثابت بماند.

پرونده:B3d2775.jpg

حل به کمک نرم‌افزار ees

پاسخ نرم‌افزار:

$\begin{matrix} A=3 .14 [m^{2}] \\ D=1 [m] \\ L=1 [m] \\ h=10 [w/ m^{2} .k] \\ R_12=1 .53 [m^{- 2}] \\ R_13=7 .49 [m^{- 2}] \\ R_32=1 .53 [m^{- 2}] \\ E_b1=56696 [w/ m^{2}] \\ E_b2=17803 [w/ m^{2}] \\ E_b3=459 .2 [w/ m^{2}] \\ q_1=32929 [w] \\ q_2= 0 [w] \\ q_3=-18844 [w] \\ T_1=1000 [k] \\ T_2=748 .6 [k] \\ T_inf=300 [k] \end{matrix}$

مثال ۱۸

مثال ۱۷ را با فرضیات زیر در نظر بگیرید:

فرضیات جدید:

دمای سطوح یکنواخت است.

سطوح را جسم خاکستری فرض کنید. e = ۰٫۷

جابجایی آزاد را برای دیواره داخلی لحاظ کنید. h= ۱۰

مطلوب:

حرارت مورد نیاز برای اینکه دمای سطح در ۱۰۰۰ کلوین ثابت بماند؟

پرونده:B3d2774.jpg

حل به کمک نرم‌افزار ees

پاسخ نرم‌افزار:

$\begin{matrix} A=3 .14 [m^{2}] \\ D=1 [m] \\ L=1 [m] \\ h=10 [w/ m^{2} .k] \\ R_1=0 .546 [m^{- 2}] \\ R_12=1 .53 [m^{- 2}] \\ R_13=7 .49 [m^{- 2}] \\ R_2=0 .137 [m^{- 2}] \\ R_32=1 .53 [m^{- 2}] \\ E_b1=56696 [w/ m^{2}] \\ E_b2=13659 [w/ m^{2}] \\ E_b3=459 .2 [w/ m^{2}] \\ j_1=42657 [w/ m^{2}] \\ j_2=11935 [w/ m^{2}] \\ q_1=25713 [w] \\ q_2=12579 [w] \\ q_3=-13135 [w] \\ T_1=1000 [k] \\ T_2=700 .6 [k] \\ T_inf=300 [k] \end{matrix}$

مثال۱۹

دو ورق موازی به ابعاد ۵/۰ متر در ۱متر به فاصله ۵/۰متر از یکدیگر قرار دارند. دمای دیواره اتاق ۳۰۰ کلوین می‌باشد. اندیس ۱ برای صفحه بالایی و اندیس ۲ برای صفحه پایینی می‌باشد.انتقال گرمای خالص به هرکدام از ورق‌ها را بیابید.

$T_{1} = 1273 K ∙ T_{2} = 773 K ∙ T_{3} = 300 K$

$A_{1} = A_{2} = 0.5 m^{2} ∙ \in_{1} = 0.2 ∙ \in_{2} = 0.5$

می‌توان اتاق را سطح فرضی ۳ در نظر گرفت که شرایط زیر را دارد:

$\in_{3} = 1 ∙ E_{b 3} = J_{3}$

با استفاده از جداول ضریب شکل و روابط جبری ضریب شکل و حل مسئله داریم:

پرونده:Tasvire 2.jpg

$F_{12} = 0.285 = F_{21}$

$F_{13} = 1 - F_{12} = 0.715 ∙ F_{23} = 1 - F_{21} = 0.715$

$\frac{1 - \in_{1}}{\in_{1} A_{1}} = \frac{1 - 0.2}{0.2 * 0.5} = 8$

$\frac{1 - \in_{2}}{\in_{2} A_{2}} = 2 ∙ \frac{1}{A_{1} F_{12}} = 7.018 ∙ \frac{1}{A_{1} F_{13}} = 2.797 ∙ \frac{1}{A_{2} F_{23}} = 2.797$

با مرتب کردن جمع جبری جریانهای گرمایی وارد شده به گره‌های J1 و J2 و مساوی قرار دادن آنها با صفر داریم:

$\frac{E_{b 1} - J_{1}}{8} + \frac{J_{2} - J_{1}}{7.018} + \frac{E_{b 3} - J_{1}}{2.797} = 0$

$\frac{J_{1} - J_{2}}{7.018} + \frac{E_{b 3} - J_{2}}{2.797} + \frac{E_{b 2} - J_{2}}{2} = 0$

$E_{b 1} = σ {T_{1}}^{4} = 148.87 k W / m^{2}$

$E_{b 2} = σ {T_{2}}^{4} = 20.241 k W / m^{2}$

$E_{b 3} = σ {T_{3}}^{4} = 0.459 k W / m^{2}$

با قرار دادن مقادیر فوق در معادله‌های بالا J1 و J2 بدست می‌آیند:

$J_{1} = 33.469 k W / m^{2} ∙ J_{2} = 15.054 k W / m^{2}$

$q_{1} = \frac{E_{b 1} - J_{1}}{^{(1 - \in_{1})} ╱_{\in_{1} A_{1}}} = 14.425 k W$

$q_{2} = \frac{E_{b 2} - J_{2}}{^{(1 - \in_{2})} ╱_{\in_{2} A_{2}}} = 2.594 k W$

$q_{3} = \frac{J_{1} - J_{3}}{^{1} ╱_{A_{1} F_{13}}} + \frac{J_{2} - J_{3}}{^{1} ╱_{A_{2} F_{23}}} = 17.02 k W$

مثال ۲۰

برای کورهٔ نشان داده شده در شکل زیر دمای سطح ۲ و سطح ۳ را محاسبه کنید. سطح جداره کناری کوره عایق است و سقف کوره باز است. ضریب گسیلمندی سطح شماره ۲ برابر با ۰٫۵ و ضریب گسیلمندی سطح ز برابر با ۰٫۸ می‌باشد.

پرونده:R-231.PNG

حل: سطح بالایی کوره را جسم سیاه فرض کرده و دمای آن را دمای محیط با۳۰۰ کلوین در نظر می‌گیریم.

$\begin{matrix} F_{21} = F_{33} = 0 \\ q_{2} = 0 \\ R_{1} = \frac{r_{1}}{L} = \frac{0.5}{2} 0.25, R_{3} = \frac{r_{3}}{L} = \frac{0.5}{2} 0.25 \\ S = 1 + \frac{1 + {(0.25)}^{2}}{{(0.25)}^{2}} = 18 \Rightarrow F_{13} = \frac{1}{2} {18 - {[18^{2} - 4 {(\frac{0.5}{0.5})}^{2}]}^{\frac{1}{2}}} = 0.055 \\ F_{11} + F_{12} + F_{13} = 1 \Rightarrow F_{12} = 1 - 0.055 = 0.945 \\ F_{22} + F_{23} + F_{21} = 1, F_{21} = F_{23}, A_{1} F_{12} = A_{2} F_{21} \Rightarrow F_{21} = 0.12 \\ \Rightarrow F_{22} = 1 - 2 F_{21} = 0.54 \end{matrix}$

$q_{3} = - q_{1} = - 29.7$

پرونده:34-23D.PNG

$\begin{matrix} R_{12} = \frac{1}{A_{1} F_{12}} = 1.34 m^{- 2}, R_{13} = \frac{1}{A_{1} F_{13}} = 23.141 m^{- 2}, R_{32} = \frac{1}{A_{2} F_{23}} = 1.34 m^{- 2} \\ R_{t o t} = \frac{R_{13} \times (R_{12} + R_{23})}{R_{13} + R_{12} + R_{23}} = 2.4 m^{- 2}, R_{1} = \frac{1 - 0.8}{0.8 π {(0.5)}^{2}} = 0.318 m^{- 2} \end{matrix}$

پرونده:64q34g.PNG

$\begin{matrix} q_{1} = \frac{E_{b, 1} - E_{b, 3}}{R_{1} + R_{t o t}} \Rightarrow E_{b, 1} = (R_{t o t} + R_{1}) q_{1} + σ T_{3}^{4} = 539.99^{k w} ╱_{m^{2}} \\ E_{b, 1} = σ T_{1}^{4} \Rightarrow T_{1} = 1756.72 k \end{matrix}$

$\begin{matrix} J_{1} = - q_{1} R_{1} + E_{b, 1} = 530.55^{k w} ╱_{m^{2}} \\ q_{13} = \frac{J_{1} - E_{b, 3}}{R_{13}} = 3.1 k w \\ q_{12} = q_{1} - q_{13} = 26.6 \to q_{12} = \frac{J_{1} - E_{b, 2}}{R_{12}} \Rightarrow E_{b, 2} = 517.79^{k w} ╱_{m^{2}} \to T_{2} = 1738.37 \end{matrix}$

مثال ۲۱

برای کورهٔ نشان داده شده در شکل زیر دمای سطح ۲ و مقدار q را محاسبه کنید. سطح جداره کناری کوره عایق است و سقف کوره باز است. ضریب گسیلمندی سطح شماره ۲ برابر با ۰٫۵ و ضریب گسیلمندی سطح ز برابر با ۰٫۱۸ می‌باشد. (ضمنا داخل کوره وات بر مترمربع درجه کوین h=۴۵۰)

پرونده:Untitlegd.png

حل:

$\begin{matrix} F_{11} = F_{22} = F_{33} = 0.3 \\ F_{13} = 0.383 \\ F_{12} + F_{13} = 1 \\ F_{12} = 1 - F_{13} = 0.62 = F_{23} \\ R_{13} = (\frac{1}{A_{1} F_{13}}) = 0.843 m^{- 2} \\ R_{32} = (\frac{1}{A_{3} F_{32}}) = 0.51 m^{2} = R_{12} = R_{23} \\ R_{1} = (\frac{1 - ε_{1}}{ε_{1} A_{1}}) = 0.08 m^{- 2} \end{matrix}$

پرونده:2d.png معادلات حاکم:

$\begin{matrix} q = (\frac{- j_{1} + E_{b_{1}}}{R_{1}}) \\ q_{2} = (\frac{j_{2} - E_{b_{2}}}{R_{2}}) \\ q_{3} = q_{13} + q_{23} \\ q_{12} = q_{2} + q_{23} \\ q_{13} = (\frac{j_{1} - E_{b_{3}}}{R_{13}}) \\ q_{23} = (\frac{j_{2} - E_{b_{3}}}{R_{23}}) \\ q_{2} = h A (T_{2} - T_{3}) \\ q = q_{12} + q_{13} \\ q_{12} = (\frac{j_{1} - j_{2}}{R_{12}}) \end{matrix}$

پس از حل توسط نرم‌افزار EES جواب‌ها به شرح زیر بدست می‌آید:

$\begin{matrix} q = 116.550 k w \\ T_{2} = 310.5 K \end{matrix}$

مثال ۲۲

در صورتی که ضریب دید تشعشعی بین دو صفحه بالا و پایین یک مکعب برابر ۰٫۲۵ باشد ضریب دید صفحه بالایی مکعب با یکی از صفحات جانبی چقدر می‌شود؟

ره حل سؤال ۱: بطور کلی در حل ضرایب دید برای سطوح مکعب شکل و کلیه سطوحی که به نوعی تقارن دارند اگر تقارن را درست تشخیص دهیم مسئله خیلی ساده حل می‌شود:

سطح بالایی مکعب را سطح شماره ۱ سطح پایین مکعب را سطح شماره ۲ و سطوح جانبی را شماره ۳ تا ۶ نامگذاری می‌کنیم از قانون جمع داریم:

$F_{11} + F_{12} + F_{13} + F_{14} + F_{15} + F_{16} = 1$

میدانیم: $F_{11} = 0$

از طرفی به لحاظ تقارن داریم: $F_{13} = F_{14} = F_{15} = F_{16}$

بنابر این:

$0.25 - 4 F_{13} = 1$

$F_{13} = \frac{3}{16}$

مثال ۲۳

یک جسم سیاه داریم که با محیط اطراف تشعشع می‌کند. خالص خروجی از سطح چقدر است؟

حل:

عدد ۲ را به محیط اطراف نسبت می‌دهیم.

$F_{11} = 0$

$F_{12} = 1$

$q_{12} = A_{1} δ (T_{1}^{4} - T_{S u r r}^{4})$

مثال ۲۴

سیالی با دمای ورودی ۳۰۰کلوین وارد لوله داخلی یک مبدل تشعشعی می‌شود. با توجه به اطلاعات داده شده دمای خروجی سیال را بیابید.

دبی جرمی سیال1kg/s

$C_{p} = 4005$

h=100w/squre meter

$T_{2} = c t e$

$D_{1} = 5 c m$

$D_{2} = 10 c m$

طول=1m

$? = T_{o u t}$

حل:

$A_{2} F_{21} = π D_{2} L \times F_{12} (F_{12} = 1)$

$q_{12} = \frac{E_{b 1} - E_{b 2}}{R_{12}}$

$R_{12} = \frac{1}{π D_{2} L}$

$q_{12} = π D_{2} L (E_{b 1} - E_{b 2})$

$q_{12} = h A_{2} Δ T_{l n}$

$Δ T_{l n} = \frac{(T_{2} - T_{i}) - (T_{2} - T_{o u t})}{l n \frac{T_{2} - T_{i}}{T_{2} - T_{o u t}}}$

$q_{12} = π D_{2} L (E_{b 1} - E_{b 2}) = \dot{m} c_{p} (T_{o u t} - T_{i n})$

$E_{b 1} = T_{1}^{4} δ = 5.67 \times 10^{- 8} \times 1000^{4} = 5.67 (10^{4})$

$π D_{2} L (5.67 (10^{4}) - E_{b 2}) = 1 \times 4000 (T_{o u t} - 300)$

$π D_{2} L (5.67 (10^{4}) - E_{b 2}) = h π D_{2} L \frac{(T_{2} - T_{i}) - (T_{2} - T_{o u t})}{l n \frac{T_{2} - T_{i}}{T_{2} - T_{o u t}}}$

حال بایستی با سعی و خطا $T_{o u t}$ و $T_{2}$ را بدست آورد.

مثال ۲۵

پرونده:LAMP2.jpg

در یک لامپ ۱۰۰ واتی با ضریب صدور۰٫۲ و با فرض جابجایی آزاد دمای سطح لامپ را بیابید؟

حل تمرین با استفاده از نرم‌افزار EES انجام گرفته، بدین صورت که در این نرم‌افزار معادلات حاکم بر مسئله داده می‌شود و نرم‌افزار به صورت سعی و خطا مسئله را حل نموده و جواب را به ما می‌دهد.

همان‌طور که می‌دانید برنامه EES یک برنامه حل دستگاه معادلات می‌باشد، که ما می‌توانیم معادلات و معلومات مسئله خود را به صورت معادله به آن داده و در نهایت برنامه با روش سعی و خطا دستگاه را برای ما حل می‌کند. اگر در کد زیر دقت کنید، داده‌های مسئله مثل دما، قطر و ... به نرم‌افزار داده شده، سپس معدلات موازنه انرژی، عدد ناسلت برای کره، عدد رایلی و ... و در نهایت پارامترهای لازم برای حل مسئله مثل عدد پرانتل، لزجت، چگالی و ضریب رسانش که در معادلات استفاده شده، تعریف کرده‌ایم. کد مسئله به صورت زیر است:

T=300[K]
D=0.1[m]
P=101[kpa]
Nu=Mio/Den
a=0.6
q=100[W]
A_1=0.03[m^2]
epsilon=0.2
T_f=(T_s+T)/2
Beta=1/T_f
Ra=((g*Beta*(T_s-T_infinity)*(D^3))*Pr)/(Nu^2)
Nusselt=2+((0.589*(Ra^(1/4)))/((1+((0.469/Pr)^(9/16)))^(4/9)))
h=(Nusselt*k)/D
(a*q)/A_1=(epsilon*5.67*(10^(-8))*(T_s^4-T_infinity^4))+(h*(T_s-T_infinity))
Pr=PRANDTL(Air,T=T_f)
Mio=VISCOSITY(Air,T=T_f)
Den=DENSITY(Air,T=T_f,P=P)
K=CONDUCTIVITY(Air,T=T_f)

جواب حاصل از حل معادلات بالا توسط نرم‌افزار به صورت زیر است:

$\begin{matrix} A_{1} = 0.03 [m^{2}] \\ β = 0.002536 [1/K] \\ ρ = 0.8924 [Kg/ m^{3}] \\ h = 7.661 [W / m^{2} K] \\ K = 0.002536 \\ μ = 0.00002269 \\ N u = 23.62 \\ P = 101 [K p a] \\ \Pr = 0.7071 \\ q = 100 [W] \\ R a = 5.129 \times 10^{6} \\ T_{\infty} = 300 [K] \\ T_{f} = 394.3 [K] \end{matrix}$

منبع: جزوه دکتر فاتحی دانشگاه خلیج فارس

مثال ۲۶

راهنمایی سپر تابشی با شماره ۳ نامگذاری شده‌است

$F_{23} = F_{13} = 1$

اگر جسم سیاه باشند

انتقال گرما در حالت بدون سپر تابشی

پرونده:(mmmm1) (1).png

$q_{0} = σ A (T_{1}^{4} - T_{2}^{4})$

انتقال گرما با وجود سپر تابشی

پرونده:(mmmm1) (2).png

$q_{13} = σ A (T_{1}^{4} - T_{3}^{4})$

$q_{32} = σ A (T_{3}^{4} - T_{2}^{4})$

$q_{32} = q_{13}$

$T_{3} = {(\frac{T_{1}^{4} + T_{2}^{4}}{2})}^{\frac{1}{4}}$

$q_{1} = σ A (T_{1}^{4} - \frac{T_{1}^{4} + T_{2}^{4}}{2}) = \frac{1}{2} σ A (T_{1}^{4} - T_{2}^{4}) = \frac{1}{2} q_{0}$

بنابراین اگر nسپر تابشی قرار دهیم داریم:

$q_{n} = \frac{1}{n + 1} q_{0}$

اگر جسم سیاه نباشند

مانند حالت قبل داریم

پرونده:(mmmm1) (3).png

پرونده:(mmmm1) (4).png

$R_{12} = R_{13} = R_{32} = \frac{1}{A}$

اما مقادیر

$R_{1}$

و

$R_{2}$

و

$R_{3}$

بصورت زیر محاسبه می‌شوند:

$R_{i} = \frac{1 - ε_{i}}{ε_{i} A}$

انتقال گرما در حالت بدون سپر:

$q_{0} = \frac{σ A (T_{1}^{4} - T_{2}^{4})}{\frac{1 - ε_{1}}{ε_{1}} + 1 + \frac{1 - ε_{2}}{ε_{2}}} = \frac{σ A (T_{1}^{4} - T_{2}^{4})}{\frac{1}{ε_{1}} + 1 + \frac{1}{ε_{2}}}$

انتقال گرما با وجود سپر:

پرونده:(mmmm1) (5).png

پرونده:(mmmm1) (6).png

$q_{1} = \frac{σ A (T_{1}^{4} - T_{2}^{4})}{\frac{1}{ε_{1}} + \frac{1}{ε_{2}} + \frac{2}{ε_{3}} - 2}$

اگر

$ε_{1} = ε_{2} = ε_{3} = ε$

آنگاه:

$q_{0} = \frac{σ A (T_{1}^{4} - T_{2}^{4})}{\frac{2}{ε} - 1}$

$q_{1} = \frac{σ A (T_{1}^{4} - T_{2}^{4})}{\frac{4}{ε} - 2} = \frac{1}{2} q_{0}$

مثال ۲۷

یک استوانه که سطح جانبی آن عایق است در نظر بگیرید.

ارتفاع استوانه ۲متر و قطر آن ۱ متر است.

شارورودی از کف استوانه چقدر باشد تا دمای سطح جانبی ۱۰۰۰ کلوین بماند.

سطح بالای استوانه به محیط باز است و دمای محیط اطراف ۳۰۰ کلوین است.

حل:

سطح پایین را ۱ و سطح اطراف را ۲ می‌نامیم. بالای استوانه را فرض می‌کنیم با یک جسم سیاه که همدمای محیط است پوشیده شده‌است و این سطح را ۳ می‌نامیم.

$A : q_{1} = q_{12} + q_{13}$

$B : q_{12} = F_{12} A_{1} δ (T_{1}^{4} - T_{2}^{4})$

$C : q_{13} = F_{13} A_{1} δ (T_{1}^{4} - T_{S u r r}^{4})$

$D : q_{2} = q_{21} + q_{23} = 0$

$E : q_{21} = - q_{12} = F_{12} A_{1} δ (T_{2}^{4} - T_{1}^{4})$

$F : q_{23} = F_{23} A_{2} δ (T_{2}^{4} - T_{3}^{4})$

$q_{3} = q_{31} + q_{32} = - q_{1}$

از معادله F داریم:

$p i D L \times 0.118 \times 5.67 \times 10^{- 8} (1000^{4} - 300^{4}) = 41700 W$

از معادله E داریم:

$T_{1}^{4} = T_{2}^{4} - \frac{q_{21}}{π \frac{D^{2}}{4} 0.944 * 5.67 * 10^{- 8}}$

با حل معادله داریم:

$T_{1} = 1188 K$

از معادله D داریم:

$q_{21} = - q_{23} = - 41700 W$

از معادله C داریم:

$π \frac{D^{2}}{4} 0.056 * 5.67 * 10^{- 8} (1188^{4} - 300^{4}) = 4950 W$

پس

$q_{1} = 41800 w + 4950 w = 46650 w$

حل EESمسئله

مثال ۲۸

دمای k در مثال بالا چقدر گرما بدهیم تا دمای کف به 1000k برسد؟ دمای دیواده در این حالت چقدر است؟

دمای سطوح ثابت و سطوح جسم سیاه هستند اثرات جابجایی اجباری را لحاظ کنید.

برای حل مسئله توسط این نرم‌افزار مقادیر توان تشعشعی سطوح ۱٬۳ و مقادیر مقاومت گرمایی بین سطوح ۱۲٬۱۳٬۳۲٬۲۳، مقدار ضریب جایجایی، سطح مقطع و دمای سطح ۳ به برنامه داده شده است، همچنین معادلات موازنه انرژی و توان تشعشع سطح ۲ داده شده است. همان‌طور که می‌دانیم نرم‌افزار ees دستگاه معادلات زیر را با روش سعی و خطا حل می‌نماید. کد معادلات نوشته شده در نرم‌افزار حل عددی EES:

E_b_1=Sigma*(1000^4)
E_b_2=Sigma*(T_2^4)
E_b_3=Sigma*(300^4)
R_12=1.53[m^-2]
R_13=7.49[m^-2]
R_32=1.53[m^-2]
R_23=1.53[m^-2]
h=12[W/m^2*K]
A=3.14[m^2]
T_3=300[k]
q_1=((E_b_1-E_b_2)/R_12)+((E_b_1-E_b_3)/R13)
((E_b_2-E_b_1)/R_12)+((E_b_2-E_b_3)/R_23)+h*A*(T_2-T_3)=0
q_3=((E_b_3-E_b_1)/R_31)+((E_b_3-E_b_2)/R_32)

جواب نرم‌افزار EES:

$\begin{matrix} E_{b_{1}} = 56696 \\ E_{b_{2}} = 16163 \\ E_{b_{3}} = 459.2 \\ h = 12 [W / m^{2} K] \\ q_{1} = 34001 [W] \\ q_{3} = - 17772 [W] \\ T_{2} = 730.7 [K] \\ T_{3} = 300 \end{matrix}$

مثال ۲۹

یک کوره رنگ پزی به صورت یک مجرای طویل با مقطع مثلثی ساخته شده‌است که سطح گرم ان در دمای ۱۰۰۰کلوین نگه داشته می‌شود ودسطح دیکر ان عایق بندی شده‌است. صفحات رنگ شده با دمای ۵۰۰ کلوین سطح سوم مجرا را تشکیل می‌دهند. طول هر یک از اضلاعمثلث ۱ متر بوده و ضریب صدور سطوح گرم وعایق برابر ۰٫۸ است. ضریب صدور صفحات رنگ شده ۰٫۴ است. در حالت دایم برای برای آن که دمای سطح گرم در۱۲۰۰ کلوین باقی بماند چه مقدار انرژی بر واحد طول مجرا باید به این سطح داده شود؟ دمای سطح عایق بندی شده را نیز بدست آورید؟

حل

داده: خواص سطحی یک مجرای طویل مثلثی که از یک طرف دارای عایق بوده و در دو طرف دیگر سرد و گرم می‌شود

خواسته:۱-نرخ گرمایی که باید بر طول واحد مجرا به آن داده شود. ۲-دمای سطح عایق بندی شده

شکل

پرونده:Sheklmasale.JPG

فرضیات :۱ – انتقال گرما دایم است .۲ – کلیه سطوح خاکستری و کدر و دیفیوزر بوده و شدت تشعشع خروجی آنها یکنواخت است .۳ – اثرات جابجایی ناچیز است .۴ – سطح عایق بازتابنده‌است .۵ – از اثرات انتهایی صرفنظر می‌شود

تحلیل: ۱ – سیستم را می‌توان به صورت یک محفظه سه سطحی با یک سطح بازتابنده در نظر گرفت. ۲-نرخ انرژی داده شده به سطح گرم شده از معادله زیر تعیین می‌شود پرونده:Madaremoadelmasale.JPG

$\begin{matrix} q_{1} = \frac{E_{b 1} - E_{b 2}}{\frac{1 - ε_{1}}{ε_{1} A_{1}} + \frac{1}{A_{1} F_{12} + {[\frac{1}{A_{1} F_{1 R}} + \frac{1}{A_{2} F_{2 R}}]}^{- 1}} + \frac{1 - ε_{2}}{ε_{2} A_{2}}} \\ F_{12} = F_{1 R} = F_{2 R} = 0.5 \\ A_{1} = A_{2} = W . L \\ q'_{1} = \frac{q_{1}}{L} = \frac{5.67 (10)^{- 8} W / m^{2} . K^{4} (120 0^{4} - 50 0^{4}) K^{4}}{\frac{1 - 0.8}{0.8 (1 m)} + \frac{1}{1 m (0.5) + (2 + 2)^{- 1} m} + \frac{1 - 0.4}{0.4 (1 m)}} \\ q'_{1} = 37 k W / m = - q'_{2} \end{matrix}$

دمای سطح عایق شده را می‌توان بدست آورد ولی برای از رابطه زیر باید جی‌ها معلوم باشند. بااعمال موازنه انرژی سطحی داریم

$\begin{matrix} J_{R} = E_{b R} \\ J_{1} = E_{b 1} - \frac{1 - ε_{1}}{ε_{1} W} q'_{1} = 5.67 (10)^{- 8} W / m^{2} . K^{4} (1200 K)^{4} - \frac{1 - 0.8}{0.8 (1 m)} (37000 W / m) \\ J_{1} = 108323 W / m^{2} \\ J_{2} = E_{b 2} - \frac{1 - ε_{2}}{ε_{2} W} q'_{2} = 5.67 (10)^{- 8} W / m^{2} . K^{4} (500 K)^{4} - \frac{1 - 0.4}{0.4 (1 m)} (- 37000 W / m) \\ J_{2} = 59043 W / m^{2} \end{matrix}$

از موازنه انرژی برای سطح بازتابنده نتیجه می‌شود

$\begin{matrix} \frac{108323 - J_{R}}{\frac{1}{W . L (0.5)}} - \frac{J_{R} - 59043}{\frac{1}{W . L (0.5)}} = 0 \\ J_{R} = 83683 W / m^{2} = E_{b R} = σ T_{R}^{4} \\ T_{R} = (\frac{83683 W / m^{2}}{5.67 (10)^{- 8} W / m^{2} . K^{4}})^{\frac{1}{4}} = 1102 K \end{matrix}$

توضیحات:

۱- توجه داشته باشید که ناپیوستگی‌های دما و شدت تشعشع خروجی نمی‌تواند در گوشه‌ها وجود داشته باشد و فرض یکنواخت بودن دما و شدت تشعشع خروجی در این ناحیه‌ها ضعیف است.

۲- این مثال را می‌توان با استفاده از روش ماتریس معکوس نیز کرد. در این روش ابتدا سه تا مجهول تعیین می‌شوند. معادلات حاکم به صورت زیر نوشته می‌شوند

$\begin{matrix} \frac{E_{b 1} - J_{1}}{\frac{1 - ε_{1}}{ε_{1} A_{1}}} = \frac{J_{1} - J_{2}}{(A_{1} F_{12})^{- 1}} + \frac{J_{1} - J_{R}}{(A_{1} F_{1 R})^{- 1}} \\ \frac{E_{b 2} - J_{2}}{\frac{1 - ε_{2}}{ε_{2} A_{2}}} = \frac{J_{2} - J_{1}}{(A_{2} F_{21})^{- 1}} + \frac{J_{2} - J_{R}}{(A_{2} F_{2 R})^{- 1}} \\ 0 = \frac{J_{R} - J_{1}}{(A_{R} F_{R 1})^{- 1}} + \frac{J_{R} - J_{2}}{(A_{R} F_{R 2})^{- 1}} \end{matrix}$

با حذف سطح شماره یک اولین معادله تبدیل می‌شود به

$\begin{matrix} \frac{117573 - J_{1}}{0.25} = \frac{J_{1} - J_{2}}{2} + \frac{J_{1} - J_{R}}{2} \\ 10 J_{1} - J_{2} - J_{R} = 940584 \\ \frac{3544 - J_{2}}{1.5} = \frac{J_{2} - J_{1}}{2} + \frac{J_{2} - J_{R}}{2} \\ - J_{1} + 3.33 J_{2} - J_{R} = 4725 \\ 0 = \frac{J_{R} - J_{1}}{2} + \frac{J_{R} - J_{2}}{2} \\ - J_{1} - J_{2} + 2 J_{R} = 0 \end{matrix}$

ماتریس‌های ضرایب با توجه به معادلات بالا عبارتند از

$\begin{matrix} (\begin{matrix} a_{11} & a_{12} & a_{1 R} \\ a_{21} & a_{22} & a_{2 R} \\ a_{31} & a_{32} & a_{3 R} \end{matrix}) = (\begin{matrix} 10 & - 1 & - 1 \\ - 1 & 3.33 & - 1 \\ - 1 & - 1 & 2 \end{matrix}) \\ (\begin{matrix} C_{1} \\ C_{2} \\ C_{R} \end{matrix}) = (\begin{matrix} 940584 \\ 4725 \\ 0 \end{matrix}) \\ J_{1} = 108328 W / m^{2} \dots J_{2} = 59018 W / m^{2} \dots J_{R} = 83673 W / m^{2} \\ J_{R} = σ T_{R}^{4} \Rightarrow T_{R} (\frac{J_{R}}{σ})^{\frac{1}{4}} = (\frac{83673 W / m^{2}}{5.67 (10)^{- 8} W / m^{2} K^{4}})^{\frac{1}{4}} = 1102 K \end{matrix}$

مثال ۳۰

اتاقی به صورت زیر نشان داده شده‌است. سقف (۱) دارای گسیلمندی ۰٫۸ است و توسط المنت‌های الکتریکی که در درون آن قرار دارند در ۴۰ درجه سانتیگراد نگه داشته می‌شود. از المنت‌ها برای نگه داشتن سطح کف(۲)با گسیلمندی ۰٫۹ در ۵۰ درجه سانتیگراد نیز استفاده می‌شود. دیوار سمت راست (۳) با گسیلمندی۰٫۷ در یک روز سرد زمستان به ۱۵ درجه سانتیگراد می‌رسد. دیوار سمت چپ (۴) و دیوارهای انتهایی به خوبی عایق اند برای ساده کردن تحلیل دو دیوار انتهایی را به صورت سطح تنهای (۵) در نظر بگیرید. اگر سطوح را پخشی و خاکستری بگیریم انتقال حرارت خالص تشعشعی را از هر سطح بیابید

پرونده:Sheklmf.png

$\begin{matrix} q_{i} = \sum_{j = 1}^{5} A_{i} F_{i j} (J_{i} - J_{j}) \\ \frac{E_{b i} - J_{i}}{\frac{1 - ε_{i}}{ε_{i} A_{i}}} = \sum_{j = 1}^{5} \frac{J_{i} - J_{j}}{(A_{i} F_{i j})^{- 1}} \propto i = 1, 2, 3 \\ q_{i} = \sum_{j = 1}^{5} \frac{J_{i} - J_{j}}{(A_{i} F_{i j})^{- 1}} = 0 \propto i = 4, 5 \\ \frac{X}{L} = \frac{10}{4} = 2.5 \propto \frac{Y}{L} = \frac{6}{4} = 1.5 \Rightarrow F_{12} = F_{21} = 0.39 \\ \frac{Z}{X} = \frac{4}{10} = 0.4 \propto \frac{Y}{X} = \frac{6}{10} = 0.6 \Rightarrow F_{13} = F_{14} = 0.19 \\ \frac{X}{L} = \frac{10}{6} = 1.66 \propto \frac{Y}{L} = \frac{4}{6} = 0.67 \Rightarrow F_{34} = F_{43} = 0.19 \\ \frac{Z}{X} = \frac{4}{10} = 0.4 \propto \frac{Y}{X} = \frac{6}{10} = 0.6 \Rightarrow F_{24} = F_{13} = 0.19 \\ F_{32} = \frac{A_{2}}{A_{3}} F_{23} = \frac{A_{2}}{A_{3}} F_{13} = \frac{60}{40} (0.19) = 0.285 \propto F_{31} = \frac{A_{1}}{A_{3}} F_{13} = \frac{60}{40} (0.19) = 0.285 \\ F_{51} = \frac{A_{1}}{A_{5}} F_{15} = \frac{60}{48} (0.23) = 0.288 \propto F_{53} = \frac{A_{1}}{A_{3}} F_{35} = \frac{40}{48} (0.25) = 0.208 \\ F_{15} = 1 - F_{12} - F_{13} - F_{14} = 1 - 0.39 - 0.19 - 0.19 = 0.23 \\ F_{35} = 1 - F_{31} - F_{32} - F_{34} = 1 - 0.285 - 0.285 - 0.19 = 0.24 \\ E_{b} = σ T^{4} \\ \frac{544.2 - J_{1}}{\frac{1 - 0.8}{0.8 (60)}} = \frac{J_{1} - J_{2}}{\frac{1}{60 (0.39)}} + \frac{J_{1} - J_{3}}{\frac{1}{60 (0.19)}} + \frac{J_{1} - J_{4}}{\frac{1}{60 (0.19)}} + \frac{J_{1} - J_{5}}{\frac{1}{60 (0.23)}} \\ \Rightarrow - 1.2500 J_{1} + 0.0975 J_{2} + 0.0475 J_{3} + 0.0475 J_{4} + 0.570 J_{5} = - 544.2 \\ \frac{617.2 - J_{2}}{\frac{1 - 0.9}{0.9 (60)}} = \frac{J_{2} - J_{1}}{\frac{1}{60 (0.39)}} + \frac{J_{2} - J_{3}}{\frac{1}{60 (0.19)}} + \frac{J_{2} - J_{4}}{\frac{1}{60 (0.19)}} + \frac{J_{2} - J_{5}}{\frac{1}{60 (0.23)}} \\ \Rightarrow + 0.0433 J_{1} - 1.111 J_{2} + 0.02111 J_{3} + 0.02111 J_{4} + 0.02556 J_{5} = - 617.2 \\ \frac{390.1 - J_{3}}{\frac{1 - 0.7}{0.7 (40)}} = \frac{J_{3} - J_{1}}{\frac{1}{40 (0.285)}} + \frac{J_{3} - J_{2}}{\frac{1}{40 (0.285)}} + \frac{J_{3} - J_{4}}{\frac{1}{40 (0.19)}} + \frac{J_{3} - J_{5}}{\frac{1}{40 (0.24)}} \\ \Rightarrow + 0.122 J_{1} + 0.122 J_{2} - 1.4284 J_{3} + 0.08143 J_{4} + 0.1028 J_{5} = - 390.1 \\ 0 = \frac{J_{4} - J_{1}}{\frac{1}{40 (0.285)}} + \frac{J_{4} - J_{2}}{\frac{1}{40 (0.285)}} + \frac{J_{4} - J_{3}}{\frac{1}{40 (0.19)}} + \frac{J_{4} - J_{5}}{\frac{1}{40 (0.24)}} \\ \Rightarrow + 0.285 J_{1} + 0.285 J_{2} + 0.19 J_{3} - 1.0 J_{4} + 0.24 J_{5} = 0 \\ 0 = \frac{J_{5} - J_{1}}{\frac{1}{48 (0.288)}} + \frac{J_{5} - J_{2}}{\frac{1}{48 (0.288)}} + \frac{J_{5} - J_{3}}{\frac{1}{48 (0.208)}} + \frac{J_{5} - J_{4}}{\frac{1}{48 (0.208)}} \\ \Rightarrow + 0.288 J_{1} + 0.288 J_{2} + 0.208 J_{3} + 0.208 J_{4} - 0.992 J_{5} = 0 \\ A = [\begin{matrix} \begin{matrix} - 1.25 & 0.0975 \end{matrix} & 0.0475 & 0.0475 & 0.0575 \\ \begin{matrix} 0.0433 & - 1.111 \end{matrix} & 0.0211 & 0.0211 & 0.0255 \\ \begin{matrix} 0.1221 & 0.1221 \end{matrix} & - 1.4284 & 0.0814 & 0.1028 \\ \begin{matrix} \begin{matrix} 0.2850 \\ 0.2880 \end{matrix} & \begin{matrix} 0.2850 \\ 0.2880 \end{matrix} \end{matrix} & \begin{matrix} 0.190 \\ 0.2080 \end{matrix} & \begin{matrix} - 1.000 \\ 0.2080 \end{matrix} & \begin{matrix} 0.240 \\ - 0.992 \end{matrix} \end{matrix}] \\ C = [\begin{matrix} \begin{matrix} - 544.2 \\ - 617.2 \end{matrix} \\ - 390.1 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}] \Rightarrow J = [\begin{matrix} \begin{matrix} \begin{matrix} 545.1 \\ 607.9 \end{matrix} \\ 441.5 \\ 542.3 \end{matrix} \\ 5410 \end{matrix}] W / m^{2} \\ q_{1} = A_{1} F_{12} (J_{1} - J_{2}) + A_{1} F_{13} (J_{1} - J_{3}) + A_{1} F_{14} (J_{1} - J_{4}) + A_{1} F_{15} (J_{1} - J_{5}) \\ q_{1} = 60 m^{2} [0.39 (545.1 - 607.9) +0 .19(545 .1-441 .5) + 0 .19(545 .1-542 .3) + 0 .23(545 .1-541 .0)] W / m^{2} = - 200 W \\ q_{2} = 60 m^{2} [0 .39(607 .9-545 .1)+0 .19(607 .9-441 .5) + 0 .19(607 .9-542 .3) + 0 .23(607 .9-541 .0)] W / m^{2} =5037 W \\ q_{3} = {40 m}^{2} [0 .285(441 .5-545 .1) + 0 .285(441 .5-607 .9)+0 .19(441 .5-542 .3) + 0 .24(441 .5-541 .0)] {W/m}^{2} = - 4799 W \\ q_{4} = q_{5} = 0 \end{matrix}$

مثال ۳۱

کوره‌ای کروی به قطر نیم متر حاوی مخلوط گازی با فشار ۱ اتمسفر و با دمای ۱۴۰۰ کلوین است. مخلوط حاوی دی اکسید کربن با فشار جزیی ۰٫۲۵ اتمسفر و نیترو‍ژن با فشار جزیی ۰٫۷۵ است. اگر دیواره کوره سیاه باشد، آهنگ سرمایش آن چقدر باشد تا در دمای ۵۰۰ کلوین بماند؟

پرونده:M1s.png

$\begin{matrix} {q^{″}}_{c} = E_{g} - α_{g} E_{b} (T_{s}) \\ {q^{″}}_{c} = ε_{g} σ T_{g}^{4} - α_{g} σ T_{s}^{4} \\ q_{c} = A_{s} σ (ε_{g} T_{g}^{4} - α_{g} T_{s}^{4}) \\ T a b l e 13.4 ∴ ∵ ∴ \to L_{e} = 0.65 D = 0.65 \times 0.5 = 0.325 m = 1.066 f t \\ p_{e} L_{e} = 0.25 a t m \times 1.066 f t = 0.267 f t . a t m \\ f r o m 13.18 \to ε_{g} = ε_{c} = 0.09 \\ α_{g} = α_{c} = C_{c} {(\frac{T_{g}}{T_{s}})}^{0.45} \times ε_{c} (T_{s}, p_{e} L_{e} [^{T_{s}} ╱_{T_{g}}] \\ F i g 13.19 \to C_{c} = 1 \\ α_{g} = 1 {(^{1400} ╱_{50})}^{0.45} \times ε_{c} (500 k, 0.095 f t . a t m) \\ F i g 13.18 \to ε_{c} = 0.067 \\ \Rightarrow α_{g} = 0.106 \\ \Rightarrow \Rightarrow q_{c} = 15.1 k W \end{matrix}$

مثال ۳۲

محفظه احتراق یک توربین گازی را به صورت لولهٔ بلندی به قطر ۰٫۴ متر می‌توان گرفت. گاز احتراق در دمای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد و فشار ۱ اتمسفر و دمای سطح محفظه ۵۰۰ درجه‌است. اگر محصولات احتراق دی اکسید کربن و آب با کسر مولی ۰٫۱۵ باشد، شار گرمای تشعشعی خالص بین گاز و سطح محفظه چقدر است؟ (سطح محفظه را سیاه در نظر بگیرید)

پرونده:M2s.JPG

$\begin{matrix} q_{n e t} = A_{s} σ (ε_{g} T_{g}^{4} - α_{g} T_{s}^{4}) \\ F r o m T a b l e 13 .4 \to L_{e} = 0.95 D = 0.95 \times 0.4 = 038 m = 1.25 f t \\ p_{w} L_{e} = p_{e} L_{e} = 0.152 a t m \times 1.25 f t = 0.187 a t m . f t \\ F i g 13.16 (T_{g} = 1273 K) \\ F i g 13.18 (T_{g} = 1273 K) \\ F i g 13.20 (^{p_{w}} ╱_{(p_{c} + p_{w})} = 0.5, L_{c} (p_{w} + p_{c}) = 0375, T_{g} \geq 930^{\circ}), \to Δ ε \geq 0.01 \\ F r o m E q . 13.38 \\ ε_{g} = ε_{w} + ε_{c} - Δ ε = 0.096 + 0.085 - 0.01 \approx 0.144 \\ F r o m E q 13.41 f o r t h e w a t e r v a p o r \\ α_{w} = C_{w} {(^{T_{g}} ╱_{T_{s}})}^{0.45} \times ε_{w} (T_{s}, p_{w} L_{e} [^{T_{s}} ╱_{T_{g}}]) \\ w h e r e f r o m F i g 13.16 \to ε_{w} \approx 0.083 \\ α_{w} = 1 {(^{1273} ╱_{773})}^{0.45} \times 0.083 = 0.104 \\ α_{c} = 1 {(^{1273} ╱_{773})}^{0.45} \times 0.083 = 0.100 \\ f r o m F i g 13.20, t h e c o r r e c t i o n f a c t o r f o r w a t e r v a p o r \\ (^{p_{w}} ╱_{(p_{c} + p_{w})} = 0.1, L_{c} (p_{w} + p_{c}) = 0375, T_{g} \approx 540^{\circ}), \to Δ α \geq 0.004 \\ a n d u sing E q . 13.43 \\ α_{g} = α_{w} + α_{c} - Δ α = 0.104 + 0100 - 0.004 \approx 0.200 \\ {q^{'}}_{n e t} = π (0.4 m) 5.67 \times 10^{- 8}^{W} ╱_{m^{2} . K^{4}} [0.144 {(1273)}^{4} - 0.200 {(773)}^{4}] = 21.9^{k W} ╱_{m} \end{matrix}$

الگو:کتاب‌های ویکی‌کتاب

ویکی‌جزوه/دانشکده:فنی و مهندسی/انتقال حرارت/انتقال حرارت تشعشعی

فهرست

ضریب دید

حفاظ تشعشعی

انتقال گرمای تشعشی در گازها

انتقال گرمای مرکب

مثال‌ها

مثال۱

مثال۲

مثال۳

مثال۴

مثال۵

مثال۶

مثال۷

مثال۸

مثال۹

مثال۱۰

مثال۱۱

مثال ۱۲

مثال۱۳

مثال۱۴

مثال۱۵

مثال۱۶

مثال۱۷

مثال ۱۸

مثال۱۹

مثال ۲۰

مثال ۲۱

مثال ۲۲

مثال ۲۳

مثال ۲۴

مثال ۲۵

مثال ۲۶

مثال ۲۷

مثال ۲۸

مثال ۲۹

مثال ۳۰

مثال ۳۱

مثال ۳۲

منوی ناوبری

ویکی‌جزوه/دانشکده:فنی و مهندسی/انتقال حرارت/انتقال حرارت تشعشعی

ضریب دید

حفاظ تشعشعی

انتقال گرمای تشعشی در گازها

انتقال گرمای مرکب

مثال‌ها

مثال۱

مثال۲

مثال۳

مثال۴

مثال۵

مثال۶

مثال۷

مثال۸

مثال۹

مثال۱۰

مثال۱۱

مثال ۱۲

مثال۱۳

مثال۱۴

مثال۱۵

مثال۱۶

مثال۱۷

مثال ۱۸

مثال۱۹

مثال ۲۰

مثال ۲۱

مثال ۲۲

مثال ۲۳

مثال ۲۴

مثال ۲۵

مثال ۲۶

مثال ۲۷

مثال ۲۸

مثال ۲۹

مثال ۳۰

مثال ۳۱

مثال ۳۲

منوی ناوبری

جستجو