不銹鋼板傳熱特性試驗(yàn)研究

董利穎 王旭

摘 要：文章根據(jù)傳熱學(xué)的基本理論，參照CCAR-25運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)中附錄F第Ⅶ部分的試驗(yàn)要求，對(duì)不銹鋼板傳熱特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究分析。分別對(duì)尺寸為610x610mm，1218x910mm，厚度為1.6mm，3.5mm的不銹鋼板進(jìn)行了火焰灼燒試驗(yàn)。對(duì)不銹鋼熱平衡過程進(jìn)行了分析；分析了不同尺寸不同厚度對(duì)鋼板熱平衡過程的影響。

關(guān)鍵詞：熱流密度；熱對(duì)流；熱平衡

中圖分類號(hào)：TK124 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）10-0062-02

Abstract： According to the basic theory of heat transfer， the heat transfer characteristics of stainless steel plate are studied and analyzed according to the test requirements of appendix FⅦ of CCAR-25 airworthiness standard. Flame burning tests were carried out on 610×610mm， 1，218×910mm and 1.6mm， as well as 3.5mm stainless steel plates respectively. The thermal equilibrium process of stainless steel was analyzed， and the influence of different sizes and thickness on the heat balance process of steel plate was analyzed.

Keywords： heat flux； heat convection； heat balance

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，航空運(yùn)輸也得到空前的發(fā)展。但與此同時(shí)也存在著那揮之不去的陰霾——“空難事故”。據(jù)統(tǒng)計(jì)2013年因?yàn)轱w機(jī)事故而死亡的人達(dá)到210人；2014年全球發(fā)生飛行事故73次，造成致命空難事故12起，空難造成641人死亡。由此可見，一旦發(fā)生航空事故，其后果極其的嚴(yán)峻，風(fēng)險(xiǎn)是不可接受的。航空業(yè)最早的致命事故就是由于一起不可控的飛行中火災(zāi)引起的。航空歷史的初期，火災(zāi)事故就成為嚴(yán)重的航空安全隱患。所以對(duì)航空火災(zāi)的研究就顯得尤為重要。同時(shí)飛機(jī)的主要材料是金屬材料，當(dāng)飛機(jī)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，金屬材料在高溫環(huán)境下的性質(zhì)以及火焰熱量交換的過程成為了值得關(guān)注的關(guān)鍵問題。本文根據(jù)現(xiàn)有航空防火標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)要求，對(duì)不銹鋼板材的傳熱特性進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

本文對(duì)不銹鋼板的熱平衡過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了不同尺寸和不同厚度對(duì)鋼板傳熱特性的影響；分別對(duì)尺寸為610×610mm，1218×910mm，厚度為1.6mm，3.5mm的不銹鋼板進(jìn)行了傳熱試驗(yàn)。依據(jù)CCAR25部附錄F 第Ⅶ部分“測(cè)定隔熱/隔音材料的抗燒穿特性試驗(yàn)”的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。其溫度為1900±100？塒，熱流密度為16±0.8Btu/ft2-sec[1]。由于試驗(yàn)設(shè)備限制，試驗(yàn)參數(shù)采用的是被國(guó)際認(rèn)可的歐洲標(biāo)準(zhǔn)ISO2685，其溫度為1100±80℃，熱流密度為11.6 1W/cm2。

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)過程中用到的設(shè)備主要有改進(jìn)ParkDPL3400型燃燒器，試樣夾持器，“G”型夾，熱電偶，熱流計(jì)，風(fēng)速計(jì)，巖棉，攝像機(jī)，千分尺，數(shù)據(jù)記錄儀等。

1.2 試驗(yàn)過程

首先校準(zhǔn)燃燒器與試驗(yàn)臺(tái)和校準(zhǔn)臺(tái)之間的相對(duì)位置，使燃燒器能夠在校準(zhǔn)臺(tái)與試驗(yàn)臺(tái)之間旋轉(zhuǎn)，并且與二者的距離均為102±3mm。用來校準(zhǔn)火焰溫度和熱流密度的熱電偶和熱流計(jì)一體化安裝于校準(zhǔn)臺(tái)上，且二者在同一平面內(nèi)。其試驗(yàn)裝置如圖1所示。

不銹鋼板用“G”型夾固定于試驗(yàn)臺(tái)上，熱電偶測(cè)量鋼板背面溫度。首先校準(zhǔn)燃燒器的溫度和熱流，使其溫度達(dá)到1100±80℃，熱流為11.6±1W/cm2，當(dāng)溫度和熱流均達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)，將燃燒器從校準(zhǔn)位置旋轉(zhuǎn)到試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)鋼板進(jìn)行灼燒。當(dāng)背面溫度達(dá)不再變化時(shí)關(guān)閉燃燒器，試驗(yàn)結(jié)束。

2 不銹鋼板傳熱特性分析

2.1 鋼板熱平衡過程分析

火焰對(duì)不銹鋼板加熱，火焰，鋼板，周圍環(huán)境之間存在著溫差，三者之間進(jìn)行熱量的傳遞。鋼板從火焰吸收熱量的同時(shí)，向周圍環(huán)境進(jìn)行放熱。開始時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)鋼板吸收的熱量大于其向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量，鋼板本身的熱量不斷增加，其溫度不斷升高。當(dāng)單位時(shí)間鋼板吸收的熱量與鋼板散發(fā)的熱量相等時(shí)，其熱量不再增加，溫度幾乎不再變化，此時(shí)鋼板達(dá)到熱平衡狀態(tài)。

2.2 尺寸對(duì)鋼板熱平衡影響分析

當(dāng)鋼板的尺寸增大時(shí)，其受熱面積沒有變化，受熱過程溫度首先增高的是“有限區(qū)域”，然后通過熱傳導(dǎo)的方式向更大區(qū)域進(jìn)行熱傳遞，由熱傳導(dǎo)公式 可知，溫度按 變化，但并不是均勻變化，這個(gè)過程相當(dāng)于鋼板吸收的熱量又向自身進(jìn)行了熱傳導(dǎo)，從而導(dǎo)致溫升變慢，使得鋼板與周圍環(huán)境溫度差減小，由綜合傳熱公式可知，鋼板與環(huán)境間的散熱變化量減小；同時(shí)尺寸的增大使散熱增大。所以散熱量的變化取決于面積和溫度對(duì)其影響程度。若溫度變化對(duì)其熱量變化影響更大，則散熱量減小，達(dá)到鋼板熱平衡的時(shí)間變長(zhǎng)，溫度變化率增大，平衡溫度升高。若面積變化對(duì)其影響更大，則散熱量增大，使得達(dá)到平衡時(shí)間減小，溫度變化速率減小，平衡溫度降低。圖2為1218×914mm和610×610mm不銹鋼板背面溫度變化曲線。

從圖可知，當(dāng)尺寸變大時(shí)，其溫度變化率減小，平衡時(shí)間變短，穩(wěn)定溫度降低。這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果說明面積的變化對(duì)散熱的影響更大。

2.3 厚度對(duì)鋼板熱平衡影響分析

當(dāng)鋼板厚度增加時(shí)，其受熱區(qū)域的質(zhì)量增大，由比熱熔公式可知，當(dāng)質(zhì)量增加時(shí)，吸收相同的熱量，溫度變化減小，鋼板與環(huán)境之間的溫差變化減小，使得散熱變化減小，則達(dá)到熱平衡的時(shí)間變長(zhǎng)，增加的熱量增多，溫度變化速率減小。如圖3為不同厚度鋼板的溫升曲線。

3 結(jié)束語

通過對(duì)不銹鋼板的熱平衡過程分析可知，不同尺寸和厚度對(duì)鋼板的熱平衡溫度及時(shí)間均有一定的影響。通過分析可知，當(dāng)鋼板尺寸增大時(shí)，其達(dá)到熱平衡的時(shí)間縮短，平衡溫度降低；當(dāng)鋼板厚度增大時(shí)，其溫度變化速率減小，達(dá)到熱平衡所需的時(shí)間變長(zhǎng)，平衡溫度升高。

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