黑體輻射源管式發(fā)熱盤(pán)分析與研究

譚德強(qiáng) 陳昌中 馮 烈

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519000）

引言

黑體輻射源作為輻射標(biāo)準(zhǔn)，主要用于紅外測(cè)溫儀、紅外熱像儀、各類(lèi)紅外探測(cè)器響應(yīng)率的標(biāo)定，紅外光學(xué)系統(tǒng)的校準(zhǔn)，以及各種材料發(fā)射率的測(cè)量等。黑體輻射源用于輻射溫度計(jì)檢定時(shí)，通常要求參考標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展不確定度小于被檢溫度計(jì)允許誤差絕對(duì)值的1/5～1/3[1]。隨著輻射測(cè)溫技術(shù)的高速發(fā)展，輻射溫度計(jì)的誤差越來(lái)越小，對(duì)黑體輻射源的要求也越來(lái)越高[2]。

早期的黑體輻射源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，腔體多采用碳硅化物、陶瓷或石墨材料，通過(guò)恒溫油槽或非均勻布置的加熱絲來(lái)取得均勻溫場(chǎng)[3]。上世紀(jì)70年代，伴隨熱管技術(shù)的飛速發(fā)展，黑體輻射源的設(shè)計(jì)開(kāi)始同熱管相結(jié)合，使得溫度均勻性得到進(jìn)一步提升。Bliss 設(shè)計(jì)的熱管黑體應(yīng)用于（420～760）℃，選用鈉作為熱管工質(zhì)，腔形設(shè)計(jì)成雙錐形；到70年代中期，Busse 設(shè)計(jì)了一系列以水或鈉作為工質(zhì)的控壓熱管，表面溫度均勻性可以達(dá)到毫開(kāi)水平；80年代中期，高魁明等[4]人研制了重力式熱管黑體輻射源，采用水/銅型熱管，最大溫差為（0.4～0.6）℃，靶面有效發(fā)射率大于0.999 5；張錫華等人研制出了直徑80 mm的鉀工質(zhì)熱管式大口徑面輻射源，采用新的熱管結(jié)構(gòu)，消耗功率小，升溫快，體積小；閆小克[5]等人研制出的高精度鈉熱管固定點(diǎn)爐，垂直溫場(chǎng)均勻性可達(dá)到11 mk。

本文運(yùn)用ANSYS軟件，對(duì)現(xiàn)有黑體輻射源管式發(fā)熱盤(pán)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，并運(yùn)用minitab 設(shè)計(jì)了3因子3水平的實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)一步研究發(fā)熱管功率、對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)熱平衡的影響。同時(shí)，通過(guò)改進(jìn)發(fā)熱盤(pán)厚度，縮短了發(fā)熱盤(pán)達(dá)到目標(biāo)溫度的加熱時(shí)間。

1 仿真分析

1.1 三維建模與網(wǎng)格劃分

根據(jù)現(xiàn)有的黑體輻射源管式發(fā)熱盤(pán)，進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，忽略對(duì)溫度均勻性影響極小的部分結(jié)構(gòu)，運(yùn)用Creo軟件創(chuàng)建出分析所用的三維模型。結(jié)合模型的具體結(jié)構(gòu)特性，根據(jù)分析經(jīng)驗(yàn)，采用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格數(shù)量在33萬(wàn)左右。

1.2 邊界條件及求解設(shè)置

考慮到黑體輻射源管式發(fā)熱盤(pán)正常工作狀態(tài)下的熱分布情況，決定選用穩(wěn)態(tài)熱分析。根據(jù)市場(chǎng)現(xiàn)有發(fā)熱盤(pán)的材料屬性，設(shè)定圓盤(pán)材料為紫銅，材料物性參數(shù)選用ANSYS材料庫(kù)中的copper alloy。將圓盤(pán)外表面設(shè)置為對(duì)流換熱面，考慮自然對(duì)流情況，換熱系數(shù)選取10 w/m2·℃，環(huán)境溫度設(shè)定為20 ℃，兩根發(fā)熱管功率設(shè)置為1 w，運(yùn)用ANSYS軟件計(jì)算出熱平衡時(shí)的溫度狀態(tài)。

圖1為仿真結(jié)果，由圖可以看出，熱平衡狀態(tài)下發(fā)熱盤(pán)各處的最高溫度為48.548 ℃，最低溫度為48.521 ℃，最大溫差為0.027 ℃，表面整體溫度分布均勻。

圖1 初步仿真結(jié)果

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

為了進(jìn)一步研究發(fā)熱管功率、對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)熱平衡的影響，運(yùn)用minitab設(shè)計(jì)了3因子3水平的實(shí)驗(yàn)方案，因子水平詳見(jiàn)表1。

表1 因子水平表

在ANSYS中，選擇對(duì)應(yīng)因子和響應(yīng)前的框，激活，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，選擇response surface optimization模塊，分析流程如圖2、圖3。

圖2 因子和響應(yīng)參數(shù)化

圖3 分析流程

為了更好分析仿真數(shù)據(jù)，在parameter set中增加監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)P6，定義為最高溫度和最低溫度的溫差。進(jìn)入response surface optimization模塊design of experiment，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)類(lèi)型選擇custom或者custom+sampling，設(shè)置因子的水平，將minitab設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)方案復(fù)制粘貼到對(duì)應(yīng)的表格中。

見(jiàn)表2、表3運(yùn)行求解，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，可得出不同組合發(fā)熱功率下發(fā)熱盤(pán)表面溫度，可以看出，同組合發(fā)熱功率下，發(fā)熱盤(pán)表面溫度，隨著對(duì)流換熱系數(shù)的增大而降低；對(duì)流換熱系數(shù)一定的情況下，隨著組合功率的增加，發(fā)熱盤(pán)溫度整體升高；發(fā)熱盤(pán)表面溫度差＜0.1 ℃。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表3 發(fā)熱管功率組合

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

考慮原設(shè)計(jì)采用20 mm厚度紫銅，重量較大，固定強(qiáng)度要求高，且加熱緩慢，將厚度調(diào)整為10 mm，并按照原實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了仿真分析，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 不同發(fā)熱功率組合下發(fā)熱盤(pán)優(yōu)化前后表面溫度統(tǒng)計(jì)圖

圖5 不同實(shí)驗(yàn)方案圓盤(pán)表面溫差統(tǒng)計(jì)圖

由圖4可以看出，10 mm厚度的發(fā)熱盤(pán)，在同等發(fā)熱功率下，表面溫度整體高于20 mm厚度的發(fā)熱盤(pán)，說(shuō)明達(dá)到目標(biāo)溫度所需的功率減小，即達(dá)到目標(biāo)溫度值所需要的加熱時(shí)間大大減小；對(duì)比優(yōu)化前后表面溫差（圖5），可以看出，雖然10 mm厚度發(fā)熱盤(pán)的表面溫差整體小于0.1 ℃，但比20 mm厚度發(fā)熱盤(pán)的表面溫差要大，說(shuō)明厚度減薄后發(fā)熱盤(pán)表面溫度的均勻性有所降低。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)黑體輻射源管式發(fā)熱盤(pán)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)熱仿真計(jì)算，求解出了黑體輻射源發(fā)熱盤(pán)的表面溫度，并進(jìn)一步運(yùn)用minitab設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方法，求解出了不同發(fā)熱組合在不同對(duì)流換熱系數(shù)下的溫度分布情況，同時(shí)對(duì)發(fā)熱盤(pán)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，得出以下結(jié)論：

1）黑體輻射源管式發(fā)熱盤(pán)采用管式加熱，采用導(dǎo)熱性良好的紫銅作為工質(zhì)，熱平衡后的表面溫度差＜0.1 ℃；

2）為了達(dá)到良好的加熱效果，建議發(fā)熱管與圓盤(pán)之間的間隙填充導(dǎo)熱材料以減小熱阻；

3）同組合發(fā)熱功率下，發(fā)熱盤(pán)表面溫度，隨著對(duì)流換熱系數(shù)的增大而降低；

4）對(duì)流換熱系數(shù)一定的情況下，隨著組合功率的增加，發(fā)熱盤(pán)溫度升高；

5）在不同環(huán)境下（主要體現(xiàn)在對(duì)流換熱系數(shù)的差異性），選擇不同的加熱功率組合，可以達(dá)到既定的目標(biāo)溫度；

6）圓盤(pán)厚度減薄后，在同等發(fā)熱功率下，表面溫度高于原設(shè)計(jì)，說(shuō)明達(dá)到目標(biāo)溫度所需的功率減小，即縮短了達(dá)到目標(biāo)溫度所需要的加熱時(shí)間。