黑体辐射源管式发热盘分析与研究

2022-11-26谭德强陈昌中

日用电器 2022年10期

谭德强陈昌中冯烈

（珠海格力电器股份有限公司珠海 519000）

引言

黑体辐射源作为辐射标准，主要用于红外测温仪、红外热像仪、各类红外探测器响应率的标定，红外光学系统的校准，以及各种材料发射率的测量等。黑体辐射源用于辐射温度计检定时，通常要求参考标准的扩展不确定度小于被检温度计允许误差绝对值的1/5～1/3[1]。随着辐射测温技术的高速发展，辐射温度计的误差越来越小，对黑体辐射源的要求也越来越高[2]。

早期的黑体辐射源结构简单，腔体多采用碳硅化物、陶瓷或石墨材料，通过恒温油槽或非均匀布置的加热丝来取得均匀温场[3]。上世纪70年代，伴随热管技术的飞速发展，黑体辐射源的设计开始同热管相结合，使得温度均匀性得到进一步提升。Bliss 设计的热管黑体应用于（420～760）℃，选用钠作为热管工质，腔形设计成双锥形；到70年代中期，Busse 设计了一系列以水或钠作为工质的控压热管，表面温度均匀性可以达到毫开水平；80年代中期，高魁明等[4]人研制了重力式热管黑体辐射源，采用水/铜型热管，最大温差为（0.4～0.6）℃，靶面有效发射率大于0.999 5；张锡华等人研制出了直径80 mm的钾工质热管式大口径面辐射源，采用新的热管结构，消耗功率小，升温快，体积小；闫小克[5]等人研制出的高精度钠热管固定点炉，垂直温场均匀性可达到11 mk。

本文运用ANSYS软件，对现有黑体辐射源管式发热盘的温度场进行了仿真分析，并运用minitab 设计了3因子3水平的实验方案，进一步研究发热管功率、对流换热系数对热平衡的影响。同时，通过改进发热盘厚度，缩短了发热盘达到目标温度的加热时间。

1 仿真分析

1.1 三维建模与网格划分

根据现有的黑体辐射源管式发热盘，进行适当简化，忽略对温度均匀性影响极小的部分结构，运用Creo软件创建出分析所用的三维模型。结合模型的具体结构特性，根据分析经验，采用四边形网格进行划分，网格数量在33万左右。

1.2 边界条件及求解设置

考虑到黑体辐射源管式发热盘正常工作状态下的热分布情况，决定选用稳态热分析。根据市场现有发热盘的材料属性，设定圆盘材料为紫铜，材料物性参数选用ANSYS材料库中的copper alloy。将圆盘外表面设置为对流换热面，考虑自然对流情况，换热系数选取10 w/m2·℃，环境温度设定为20 ℃，两根发热管功率设置为1 w，运用ANSYS软件计算出热平衡时的温度状态。

图1为仿真结果，由图可以看出，热平衡状态下发热盘各处的最高温度为48.548 ℃，最低温度为48.521 ℃，最大温差为0.027 ℃，表面整体温度分布均匀。

图1 初步仿真结果

2 实验设计及结果分析

为了进一步研究发热管功率、对流换热系数对热平衡的影响，运用minitab设计了3因子3水平的实验方案，因子水平详见表1。

表1 因子水平表

在ANSYS中，选择对应因子和响应前的框，激活，实现参数化，选择response surface optimization模块，分析流程如图2、图3。

图2 因子和响应参数化

图3 分析流程

为了更好分析仿真数据，在parameter set中增加监控数据P6，定义为最高温度和最低温度的温差。进入response surface optimization模块design of experiment，设计实验类型选择custom或者custom+sampling，设置因子的水平，将minitab设计好的实验方案复制粘贴到对应的表格中。

见表2、表3运行求解，得到实验数据进行整理分析，可得出不同组合发热功率下发热盘表面温度，可以看出，同组合发热功率下，发热盘表面温度，随着对流换热系数的增大而降低；对流换热系数一定的情况下，随着组合功率的增加，发热盘温度整体升高；发热盘表面温度差＜0.1 ℃。

表2 实验数据表

表3 发热管功率组合

3 结构改进

考虑原设计采用20 mm厚度紫铜，重量较大，固定强度要求高，且加热缓慢，将厚度调整为10 mm，并按照原实验方案进行了仿真分析，对比结果见图4和图5。

图4 不同发热功率组合下发热盘优化前后表面温度统计图

图5 不同实验方案圆盘表面温差统计图

由图4可以看出，10 mm厚度的发热盘，在同等发热功率下，表面温度整体高于20 mm厚度的发热盘，说明达到目标温度所需的功率减小，即达到目标温度值所需要的加热时间大大减小；对比优化前后表面温差（图5），可以看出，虽然10 mm厚度发热盘的表面温差整体小于0.1 ℃，但比20 mm厚度发热盘的表面温差要大，说明厚度减薄后发热盘表面温度的均匀性有所降低。