【doc】直冷式冰箱系统内的辐射换热效果

【doc】直冷式冰箱系统内的辐射换热效果 直冷式冰箱系统内的辐射换热效果 昭一( 1999~ /总第1.9期 低温工程 CRYoGENICS No.31999 SumNO.109 直冷式冰箱系统内的辐射换热效果 \. T200030侈(上海交通大学制冷及低温程系上海).f 丁卜,12.摘要直冷式冰箱内各冷表面温度不同,其红外辐射能量也随乏而同.而在此 温度较低的环境中,辐射传热的影响较大.通过对红外辐射的,结合I程实践中 的直冷式冰箱系统的特点,采用蒙特卡罗法编写通用计算程序,对综合的辐射过程 进行数值模拟针对具体的直冷式'冰箱冷冻室作算例,评估辐射传热在低温皋统中的 1 … —————7一 引言,/ 者 直冷式冰箱内,红外辐射是重要的热负荷.由于各固体壁面和储藏物品表面的温度都有所 不同,其各自的红外辐射和红外吸收能力也就各不相同由于确定红外长波辐射发射和吸收能 力与其绝对温度的4次方成正比,所以低温环境下的小温差也有可能导致比较大 的内部热流. 根据传统的算法所计算得到的冷量往往会小于实际情况一般估计,低温壁面和高温储藏物品 间的辐射换热将占直冷式冰箱系统中总换热量的30左右.这只是一个估计的比例,实际上的 情况还不明显.由于冰箱内部几何结构相对比较复杂,无法直接进行简单的角系数求解.这就 给经典的辐射换热计算带来了不可逾越的困难.随着计算机技术的发展,以概率统计为基础的 蒙特卡罗方法将在这个方面发挥特殊的作用. 2直冷式冰箱中红外长波辐射的特点 一 般情况下,辐射能量是直射辐射能量和散射能量之和.其中的直射辐射是有方向的,而 散射辐射能量是没有方向的.总的说来,这些辐射有可能在非透明固体界面处被吸收,而未被 吸收的部分则会发生反射现象.吸收与反射的比例就决定于固体界面的吸收率和反射率.对于 固体壁面或者储藏物品而言,它们既在吸收一部分接受到的红外长波辐射,也在按一定的比 例向外界辐射红外长波辐射.可以认为这些固体表面是灰体表面,即辐射率等于吸收率于是 本文于1998年5月】6日收到童灵,28岁,博士生 第3期直冷式冰箱系统内的辐射换热效果 就形成辐射能量的相互交换,而这种交换的能力主要取决于其表面的灰度和绝对温度 3蒙特卡罗法的实现 蒙特卡罗方法是指采用数值模拟和概率分析的方法而仿真实际的复杂物理情况. 随着计 算机技术的发展,蒙特卡罗方法现在已经在许多学科领域中得到广泛的应用.由于计算空间内 的几何结构和部件表面物理模型的复杂性,蒙特卡罗方法是一种必要且有效的方法.用蒙特卡 罗方法计算各个表面间的辐射换热量的过程主要是三个过程,即:A)确定初始辐射射线; B)跟踪辐射射线在各个表面之间的传递;c)确定辐射射线与各个表面的作用结果.该方法物 理概念确定,基本思路明确,能适应复杂的空间系统. 4具体直冷式冰箱算例 本文选择图1所示的直冷式冰箱作为计算的实例直冷式冰箱分为冷冻室和冷藏室两部 分,两个部分都存在辐射换热.冷藏室内部温差较小,因而辐射换热的影响较小;而玲冻室内 部温差较大,辐射换热的影响就较大.在此,仅对温度较低的冷冻室内的辐射换热量进行计算 图1具体直冷式冰箱的结构示意图 囝2直冷式冰箱冷冻室结构示意囝 在本算倒中,冰箱冷冻室的结构示意图如图2所 示经过合理简化可以分解出8个基本面:冷冻室下底 面,冷冻室上底面,左侧面,右侧面,前表面,后表 面,隔板上表面及隔板下表面.在本例中有5个冷面 也就是制冷剂流过的面,其温度较低,其余的表面温 度相对较高.这5个面依次是冷冻室左侧面,冷冻室右 侧面,冷冻室底面,隔板上表面和隔板下表面.这8个 基本面可作为灰体处理.其具体尺寸为:冷冻室高 0.30m,底面长0.42m,底面宽0.40m;隔板位于冷 冻室半高处,宽度为02m.冷面温度取为25?,非冷面温度取为一1O?,利用公式E — caTS(e为灰度;为辐射常数,了1为绝对温度;s为面积)计算出各个面的辐射能量 用蒙特卡罗法进行具体计算后,结果由表1和表2所示. 在传统的换热负荷计算中只包含了对流换热,未考虑到内部的辐射换热.在冷冻室的温度 环境下对流换热的换热系数为10W/(m?C)左右.下底面(面积为0.168m)的辐射换热量最 大,为8.71w,而其对流换热量约为1.68W,即辐射换热量约占总换热量的8O;隔板下侧 低温工程 面(面积为0.084m)的辐射换热量最小,为0.41W,而其对流换热量约为0.84W,即辐射换 热量约占总换热量的3O.由此可见,在此冷冻室的低温环境中,辐射换热量约占总换热量的 30,80.其影响是很大的. 表1冷冻室每个面的辐射能量在各个面的分配比例 对表2的数据进行处理,可以得到每个面的净换热量,结果见表3. 表3冷冻室各面的辐射能量收支表 s结柬语 计算冷冻室内部的辐射换热具有非常重要的实际意义.和以往的传统方法比较,蒙特卡罗 法具有物理概念明确,基本思路简单,适用性广等优点,而且对计算机资源的要求也相对较 低. 针对冰箱的特点和内部环境中的一些实际情况,可以编写通用的计算程序而对多种结构 的直冷式冰箱或间玲式冰箱的辐射负荷进行定量计算.通过以上计算,也可以清楚地了解各个 面的能量得失情况,为我们分析热负荷的具体分布,以此来更好地一台性能优 良的冰箱 奠定了坚实的基础.更为重要的是,我们认识到在有关制冷和低温的各个领域,蒙 特卡罗法都 具有广阔的应用前途. 第3期直冷式冰箱系统内的辐射换热效果 参考文献 1BinrHeermannDW着,秦克诚译.统计物理学中的蒙特卡罗模拟方法北京:北京大 学出版杜1994 3橱世锆热学.jE京高等教育出版社,1987. 3夏新林,谈和平,泉其铮.用蒙特卡罗方法计算空间光学系统表面间的辐射传递系 数.郑;中国工程热物理学会计算 传热学组.1995. EFFECToFRADlANTHEATTRANSFERINTHE SYSTEMoFDlRECTCooLlNGREFRIGERAToR TongLingYangKangChenZhijiu (Department0fRefrigerationandCryogenicsEngineering,ShahghaiJiaotongUnive~itySh ahai200030) ABSTRACTThereexiststemperaturedifferenceamongtheinnersurfacesofthere— frigerator.Asaresuh,theinfraredradiationenergyofeverysurfaceisdifferentandtheradi— antheattransferplaysanimportantroleunderthelowtemperatureenvironment.Ontheba— sisoftheMonteCarlomethod.theanalysisofinfraredradiationenergyanditsdistribution iscarriedOUtforarealrefrigerator.Mostoftherealconditionsaretakenintoconsideration inthecalculation.Thefinalresultshelptoexplainandevaluatethephysicalphenomenaand itsimportance. KEYWORDSMonteCarlomethod;infraredradiation;refrigerator (上接第45而) HEATTRANSFERCHARACTERlSTlCSoF PLATE—FlNHEATEXCHANGERlNTHEFIELD oFREFRlGERATloNANDAIRCoNDITIoN ZhangXiaosongLiShuhongZhaoKaitao (SoutheastUniversitytNanjingt210096) ABSTRACTThispaperdealswiththeexperimentalstudyofanair——waterplate——fin heatexchanger.TheexperimentalinvestigationwascarriedOutandtheperformancedataof heattransferandflowresistancewereobtained.Experimentalequationsofconvectioncoeffi— cientandfrictionresistancecoefficientwerepresented. KEYWORDSplate—finheatexchanger}heattransfercharacteristics;flowresistance; experimentalequation