不銹鋼板傳熱特性試驗研究

董利穎 王旭

摘 要：文章根據傳熱學的基本理論，參照CCAR-25運輸類飛機適航標準中附錄F第Ⅶ部分的試驗要求，對不銹鋼板傳熱特性進行了試驗研究分析。分別對尺寸為610x610mm，1218x910mm，厚度為1.6mm，3.5mm的不銹鋼板進行了火焰灼燒試驗。對不銹鋼熱平衡過程進行了分析；分析了不同尺寸不同厚度對鋼板熱平衡過程的影響。

關鍵詞：熱流密度；熱對流；熱平衡

中圖分類號：TK124 文獻標志碼：A 文章編號：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

隨著經濟的迅猛發展，航空運輸也得到空前的發展。但與此同時也存在著那揮之不去的陰霾——“空難事故”。據統計2013年因為飛機事故而死亡的人達到210人；2014年全球發生飛行事故73次，造成致命空難事故12起，空難造成641人死亡。由此可見，一旦發生航空事故，其后果極其的嚴峻，風險是不可接受的。航空業最早的致命事故就是由于一起不可控的飛行中火災引起的。航空歷史的初期，火災事故就成為嚴重的航空安全隱患。所以對航空火災的研究就顯得尤為重要。同時飛機的主要材料是金屬材料，當飛機發生火災時，金屬材料在高溫環境下的性質以及火焰熱量交換的過程成為了值得關注的關鍵問題。本文根據現有航空防火標準試驗要求，對不銹鋼板材的傳熱特性進行了研究。

1 試驗系統介紹

本文對不銹鋼板的熱平衡過程進行了試驗研究，分析了不同尺寸和不同厚度對鋼板傳熱特性的影響；分別對尺寸為610×610mm，1218×910mm，厚度為1.6mm，3.5mm的不銹鋼板進行了傳熱試驗。依據CCAR25部附錄F 第Ⅶ部分“測定隔熱/隔音材料的抗燒穿特性試驗”的試驗方法進行試驗。其溫度為1900±100？塒，熱流密度為16±0.8Btu/ft2-sec[1]。由于試驗設備限制，試驗參數采用的是被國際認可的歐洲標準ISO2685，其溫度為1100±80℃，熱流密度為11.6 1W/cm2。

1.1 試驗設備

本試驗過程中用到的設備主要有改進ParkDPL3400型燃燒器，試樣夾持器，“G”型夾，熱電偶，熱流計，風速計，巖棉，攝像機，千分尺，數據記錄儀等。

1.2 試驗過程

首先校準燃燒器與試驗臺和校準臺之間的相對位置，使燃燒器能夠在校準臺與試驗臺之間旋轉，并且與二者的距離均為102±3mm。用來校準火焰溫度和熱流密度的熱電偶和熱流計一體化安裝于校準臺上，且二者在同一平面內。其試驗裝置如圖1所示。

不銹鋼板用“G”型夾固定于試驗臺上，熱電偶測量鋼板背面溫度。首先校準燃燒器的溫度和熱流，使其溫度達到1100±80℃，熱流為11.6±1W/cm2，當溫度和熱流均達到穩定值時，將燃燒器從校準位置旋轉到試驗臺，對鋼板進行灼燒。當背面溫度達不再變化時關閉燃燒器，試驗結束。

2 不銹鋼板傳熱特性分析

2.1 鋼板熱平衡過程分析

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

2.2 尺寸對鋼板熱平衡影響分析

當鋼板的尺寸增大時，其受熱面積沒有變化，受熱過程溫度首先增高的是“有限區域”，然后通過熱傳導的方式向更大區域進行熱傳遞，由熱傳導公式 可知，溫度按 變化，但并不是均勻變化，這個過程相當于鋼板吸收的熱量又向自身進行了熱傳導，從而導致溫升變慢，使得鋼板與周圍環境溫度差減小，由綜合傳熱公式可知，鋼板與環境間的散熱變化量減小；同時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其影響程度。若溫度變化對其熱量變化影響更大，則散熱量減小，達到鋼板熱平衡的時間變長，溫度變化率增大，平衡溫度升高。若面積變化對其影響更大，則散熱量增大，使得達到平衡時間減小，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，當尺寸變大時，其溫度變化率減小，平衡時間變短，穩定溫度降低。這個試驗結果說明面積的變化對散熱的影響更大。

2.3 厚度對鋼板熱平衡影響分析

當鋼板厚度增加時，其受熱區域的質量增大，由比熱熔公式可知，當質量增加時，吸收相同的熱量，溫度變化減小，鋼板與環境之間的溫差變化減小，使得散熱變化減小，則達到熱平衡的時間變長，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 結束語

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

參考文獻：

[1]CCAR25-R4.運輸類飛機適航標準[S].中國民航總局，2010.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學第四版[M].高等教育出版社，2006.

[3]蓋軻，董彥杰.對流傳熱過程影響因素分析[J].運城高等專科學校學報，2000（06）：33-34.

[4]吳大偉，張成林.對流傳熱系數的研究[J].現代食品科，2006（04）：88-89+92.

[5]尹衛東，李桂連.對流傳熱系數測定的探討[J].洛陽師范學院學報，2012（08）：49-52.

[6]FAA.AC 20-135， Powerplant installation and propulsion system component fire protection test methods， standards， and criteria[S]. USA： Federal Aviation Administration，1990.