黑體輻射源管式發熱盤分析與研究

譚德強 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準，主要用于紅外測溫儀、紅外熱像儀、各類紅外探測器響應率的標定，紅外光學系統的校準，以及各種材料發射率的測量等。黑體輻射源用于輻射溫度計檢定時，通常要求參考標準的擴展不確定度小于被檢溫度計允許誤差絕對值的1/5～1/3[1]。隨著輻射測溫技術的高速發展，輻射溫度計的誤差越來越小，對黑體輻射源的要求也越來越高[2]。

早期的黑體輻射源結構簡單，腔體多采用碳硅化物、陶瓷或石墨材料，通過恒溫油槽或非均勻布置的加熱絲來取得均勻溫場[3]。上世紀70年代，伴隨熱管技術的飛速發展，黑體輻射源的設計開始同熱管相結合，使得溫度均勻性得到進一步提升。Bliss 設計的熱管黑體應用于（420～760）℃，選用鈉作為熱管工質，腔形設計成雙錐形；到70年代中期，Busse 設計了一系列以水或鈉作為工質的控壓熱管，表面溫度均勻性可以達到毫開水平；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）℃，靶面有效發射率大于0.999 5；張錫華等人研制出了直徑80 mm的鉀工質熱管式大口徑面輻射源，采用新的熱管結構，消耗功率小，升溫快，體積??；閆小克[5]等人研制出的高精度鈉熱管固定點爐，垂直溫場均勻性可達到11 mk。

本文運用ANSYS軟件，對現有黑體輻射源管式發熱盤的溫度場進行了仿真分析，并運用minitab 設計了3因子3水平的實驗方案，進一步研究發熱管功率、對流換熱系數對熱平衡的影響。同時，通過改進發熱盤厚度，縮短了發熱盤達到目標溫度的加熱時間。

1 仿真分析

1.1 三維建模與網格劃分

根據現有的黑體輻射源管式發熱盤，進行適當簡化，忽略對溫度均勻性影響極小的部分結構，運用Creo軟件創建出分析所用的三維模型。結合模型的具體結構特性，根據分析經驗，采用四邊形網格進行劃分，網格數量在33萬左右。

1.2 邊界條件及求解設置

考慮到黑體輻射源管式發熱盤正常工作狀態下的熱分布情況，決定選用穩態熱分析。根據市場現有發熱盤的材料屬性，設定圓盤材料為紫銅，材料物性參數選用ANSYS材料庫中的copper alloy。將圓盤外表面設置為對流換熱面，考慮自然對流情況，換熱系數選取10 w/m2·℃，環境溫度設定為20 ℃，兩根發熱管功率設置為1 w，運用ANSYS軟件計算出熱平衡時的溫度狀態。

圖1為仿真結果，由圖可以看出，熱平衡狀態下發熱盤各處的最高溫度為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 初步仿真結果

2 實驗設計及結果分析

為了進一步研究發熱管功率、對流換熱系數對熱平衡的影響，運用minitab設計了3因子3水平的實驗方案，因子水平詳見表1。

表1 因子水平表

在ANSYS中，選擇對應因子和響應前的框，激活，實現參數化，選擇response surface optimization模塊，分析流程如圖2、圖3。

圖2 因子和響應參數化

圖3 分析流程

為了更好分析仿真數據，在parameter set中增加監控數據P6，定義為最高溫度和最低溫度的溫差。進入response surface optimization模塊design of experiment，設計實驗類型選擇custom或者custom+sampling，設置因子的水平，將minitab設計好的實驗方案復制粘貼到對應的表格中。

見表2、表3運行求解，得到實驗數據進行整理分析，可得出不同組合發熱功率下發熱盤表面溫度，可以看出，同組合發熱功率下，發熱盤表面溫度，隨著對流換熱系數的增大而降低；對流換熱系數一定的情況下，隨著組合功率的增加，發熱盤溫度整體升高；發熱盤表面溫度差＜0.1 ℃。

表2 實驗數據表

表3 發熱管功率組合

3 結構改進

考慮原設計采用20 mm厚度紫銅，重量較大，固定強度要求高，且加熱緩慢，將厚度調整為10 mm，并按照原實驗方案進行了仿真分析，對比結果見圖4和圖5。

圖4 不同發熱功率組合下發熱盤優化前后表面溫度統計圖

圖5 不同實驗方案圓盤表面溫差統計圖

由圖4可以看出，10 mm厚度的發熱盤，在同等發熱功率下，表面溫度整體高于20 mm厚度的發熱盤，說明達到目標溫度所需的功率減小，即達到目標溫度值所需要的加熱時間大大減?。粚Ρ葍灮昂蟊砻鏈夭睿▓D5），可以看出，雖然10 mm厚度發熱盤的表面溫差整體小于0.1 ℃，但比20 mm厚度發熱盤的表面溫差要大，說明厚度減薄后發熱盤表面溫度的均勻性有所降低。

4 結論

本文運用ANSYS軟件對黑體輻射源管式發熱盤進行了穩態熱仿真計算，求解出了黑體輻射源發熱盤的表面溫度，并進一步運用minitab設計了實驗方法，求解出了不同發熱組合在不同對流換熱系數下的溫度分布情況，同時對發熱盤的結構進行了優化，得出以下結論：

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

2）為了達到良好的加熱效果，建議發熱管與圓盤之間的間隙填充導熱材料以減小熱阻；

3）同組合發熱功率下，發熱盤表面溫度，隨著對流換熱系數的增大而降低；

4）對流換熱系數一定的情況下，隨著組合功率的增加，發熱盤溫度升高；

5）在不同環境下（主要體現在對流換熱系數的差異性），選擇不同的加熱功率組合，可以達到既定的目標溫度；

6）圓盤厚度減薄后，在同等發熱功率下，表面溫度高于原設計，說明達到目標溫度所需的功率減小，即縮短了達到目標溫度所需要的加熱時間。