热真空试验用红外加热笼的热设计

(17)
将公式(14)的前半部分代入(17)得
1 1 − ε 21 1 A (Eb2 − Eb1 ) + = (Eb1 − Eb3 ) + 1 − ε 22 F1 X 13 1 F1 X 12 F2ε 21 + F X F 2 ε 22 2 23
Q23 =
Eb2 − J 3 1 − ε 22 1 + F2 X 23 ε 22 F2
(9)
式中
J3 X23
22
热沉的有效辐射 加热笼对热沉的角系数 加热笼朝热沉方向表面的发射率
2.4
试件与热沉之间净辐射换热的计算 仿照(7)可得试件与热沉之间的净辐射热流为
Q13 =
J1 − J 3 1 F1 X 13
其中
(18)
1 1 − ε 21 1 − ε 22 1 1 A= F X + FX + Fε + F X + Fε 1 13 2 21 2 23 2 22 1 12
由公式(18)即可以求出加热笼的黑体辐射 Eb2 可以当作+ 处理
1− ε3 Fε 3 3
考虑到热沉的面积 F3 与试
(16)
将(15) (16)代入(13)得
Q21
1 − ε 21 1 − ε 22 1 1 1 1 Eb1 − Eb3 − Q21 + + + + F1 X 12 F1 X 13 F2ε 21 F2 X 23 F2ε 22 F1 X 13 = 1 − ε 22 1− ε3 1 + F2 X 23 F2 ε 22 F3ε 3
2 红外加热笼的热设计计算
在进行红外加热笼设计时 工况下的各种影响因素 一种理想情况进行计算 的设计 保险系数 选取 如图 1 所示 1 为试件 2 为加热笼 3 为热沉 在进行 计算时 我们取试件面积为 1m2 加热笼外框面积为 1m2 则 加热笼的加热带实际面积为加热笼的覆盖系数 在稳态工况下 试件温度保持不变 即试件吸收的热量与试件发出的热量相同 由此列出试件的 热平衡方程来进行计算 试件发出的热量至少应包括 4 个部分 试件对热沉的辐射 试件对加热笼的辐射 加热笼对试件 的辐射被试件反射的部分 热沉对试件的辐射被试件反射的部分 而试件吸收的热量 除包括加热笼 和热沉对试件辐射的热量外 还包括由试件发出 被加热笼和热沉反射回来后 又被试件吸收的热量 事实上 每一种发射回来的热量被吸收一部分后 又有一部分被反射出去 这样 吸收和发出的热量 均是一个无穷项的级数和
在工程设计工作中
件面积相比 式
即公式(18)中的 A 可以近似为 0 因此可以得到关于 Eb2 的简化公
1 1 − ε 21 Eb2 = (Eb1 − Eb3 ) F X + Fε F1 X 13 + Eb1 2 21 1 12
2.5 加热带温度的计算 根据公式 Eb2= T24 可以计算出加热带的温度
杨晓宁 热真空试验用红外加热笼的热设计
21
X21 X12
加热笼对试件的角系数 试件对加热笼的角系数 利用(6)(7)两式 可以得到加热笼和试件之间的净辐射换热为
考虑到 X21F2 = X12F1
Q21 =
Eb2 − J 1 1 − ε 21 1 + F1 X 12 ε 21 F2
(8)
2.3 加热笼与热沉之间直接净辐射换热的计算 仿照公式(8)的推导过程 可以推导出加热笼与热沉之间的净辐射换热为
/ hb2
由于加热笼的发热功率和电流存在着下面的关系 (22)
3 加热笼设计参数的确定
上面的计算 是基于加热笼的有关设计参数都已经确定的情况下进行的计算校核 即所谓的 正 问题 而加热笼的设计实际是一个 反问题 即在不知道加热笼的这些参数时 通过计算 来确定 这些参数 由于热真空试验要求的是试件的温度满足一定的要求 按此进行加热笼设计 不会得到加热笼设 计参数的唯一解 因为该要求是加热笼覆盖系数和加热带宽度的耦合结果 同时改变覆盖系数和加热 带宽度两个参数也可以满足同样的要求 因此 在加热笼设计时 实际是在确定一个最优解 基于此 反问题 的解决是通过 正问题 解的优化来实现的
(19)
2.6 加热笼设计电流的计算 根据上面计 算 得 到 的加 热 笼黑 体 辐 射热 流 和加 热 带 两 个 表 面的发 射 率 1m
2
可以 计 算 出 单 位 面 积
加热笼两个表面辐射出的总热量 Q 总 Q 总=
2 内+ 2外
Eb2
(20)
杨晓宁 热真空试验用红外加热笼的热设计
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式中
2 内和
低温-133
在加热笼加工中 一般只选择 6mm 或 8mm 宽度的加热带 由表 1 的计算结果可以看出 在如此 高的高温要求下 8 mm 宽的加热带都不能满足要求 因此只能选用 6mm 宽的加热带 经过对比 只 有选用覆盖系数为 0.4 的加热笼 才能够满足高温和升温的要求 对低温工况下的加热带温度进行计 算 在低温平衡工况下 加热带的平衡温度为-96 对于背景温度低于 100K 的真空室来说 这个温 度的到达是没有问题的 经计算 为使加热带在低温工况下保持这个温度 需要的加热电流为 0.44A 因此 该加热笼能够满足低温和降温的要求 至此完成了该加热笼的热设计计算 最终确定加热带的 宽度为 6mm 加热笼的覆盖系数为 0.4
笼电装时一般使用聚四氟乙烯线 温度过高会烧毁导线造成断路或短路的危险 一般在设计时 希望
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境
工
程
第 21 卷第 1 期
4 红外加热笼的设计验证
在为某型号天线热真空试验设计加热笼时 就采用了上面的计算方法 根据高温 91 的要求 进行了设计计算 如表 1 所示
表1 覆盖系数 加热带宽度/mm 设计电流/A 功率利用率 加热带温度/ 0.25 6 3.938 0.969 252 某型号天线的加热笼设计参数 0.3 6 3.585 0.80 228 0.35 6 3.31 0.685 208 0.4 6 3.089 0.596 192 0.25 8 5.25 1.72 252 0.3 8 4.78 1.42 228 0.35 8 4.415 1.218 208 0.4 8 4.119 1.06 192
(14)
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航
天
器
环
境
工
程
第 21 卷第 1 期
由公式(3) (10)并考虑 Q12 = Q21 得
J 3 = Eb1 − Q21
由公式(9)和(14)得
1 F1 X 13
(15)
Q23 = Q21
1 − ε 21 1 1 + + F1 X 12 F1 X 13 F2ε 21 1 − ε 22 1 + F2 X 23 F2ε 22
在上面的计算中 除试件 加热笼和热沉的表面发射率参数外 只有加热笼覆盖系数和加热带宽 度是决定最终计算结果的参数 通过改变加热笼的覆盖系数和加热带宽度来计算设计电流和加热带温 度 通过对这些数据的比较 就可以得到加热笼设计的最优解 4A 的直流电源供电 因此加热笼的电流必须小于 4A 而加热 在试验过程中 一般选用 120V 加热带温度不超过 250 上文的计算都是基于理想情况进行的 实际上 加热笼在加工过程中 还存在着一些直接影响加 热笼性能的不确定因素 包括加热笼对试件的角系数会由于加热带的扭动而减小 加热带朝向热沉方 向的表面可能在加工过程中落上一些污渍而使表面红外发射率增大 虽然也存在着由于不同加热区之 间的热耦合而使某加热区的供电电流减小的情况 但是在加热笼实际设计过程中还是要留有足够的余 量 以便当上面影响加热笼性能的现象出现时 加热笼有足够的加热能力来满足试验要求 为此 在 加热笼设计时 综合考虑各种因素 一般至少留有 30%的加热余量 最好余量在 40%以上 即进行加 热笼设计时 理想情况下的加热笼电流一般不能超过 3.1A 且最大不超过 3.4A 在满足高温要求的情况下 应该使加热笼的覆盖系数尽量小 否则会造成降温速度太慢或低温不 能满足试验要求的情况 而且也会增加试验成本 因此 希望在高温工况下 加热笼加热功率利用率 能够控制在 50% 70%范围内
提出了利用 有效辐射
的概念进行热设计计算的一般方法 中图分类号
进行了加热笼热设计计算的验证 2004 01-0019-06
1
前言
在进行航天器的热真空试验时 经常选用红外加热笼作为加热手段 红外加热笼的设计直接决定
了热真空试验是否能够顺利进行 红外加热笼在设计时 一般需要确定选用什么类型的加热带 以及 加热带的覆盖系数 而这些参数是通过热设计来确定的 热真空试验时试件要满足高低温的要求 如 果覆盖系数太小 高温就不能满足要求 而如果覆盖系数过大 又会出现降温太慢甚至低温不能满足 要求的情况 从而增加试验成本 降低试验成功的可靠性 因此 在红外加热笼设计时 进行热设计 计算是非常重要的一个环节
收稿日期 作者简介 ２００４－０１－１６ 杨晓宁 １９７２－ 男 黑龙江省兰西人 工程师 主要从事空间环境模拟试验技术的研究工作 图1 稳态工况示意图
要综合考虑热真空试验稳态 首先按 凭经验
1 2 3
但是在具体进行热设计时
然后考虑各种影响因素并加上一定
保险系数一般根据试验具体情况
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(10)
在稳态工况下 试件温度保持不变 设热沉表面的到达热流为 G3
则 Q13 = Q21 = Q 加热笼两个表面的的总净辐射热流为 Q 总 则 (11) Q 总 = Q21 + Q23
有效辐射为 J3
由于加热笼的总辐射热流在平衡状态下最终被热沉吸收 因此 Q 总= G3 - J3 F3 (12)
仿照公式(6)的推导过程并利用公式(11)和(12)得到
1 1 1Eb1+
J1
图2
辐射计算的示意图
(1)
1-
1
G1
(2)
试件的发射率 试件的吸收率 试件的黑体辐射热流
1= 1
Eb1 考虑到
利用(1)(2)两式可得 J1 = Eb1= T14 (3)
通过(3)式可知
பைடு நூலகம்
1=
1时
试件的有效辐射等于试件的黑体辐射
对于由试件 加热笼和热沉组成的三体系统 试件的能量来源为加热笼 而加热笼发出的能量最 终均被热沉吸收 对于无内热源的试件 其与加热笼之间的净辐射换热等于其与热沉之间的净辐射换 热 2.2 加热笼与试件之间的净辐射换热的计算 对于加热笼刷黑漆的表面 设其有效辐射为 J2 到达辐射为 G2 Q= J2 - G2 F2 则加热笼的净辐射热量为 (4)
Q总 = Q21 + Q23 =
J 3 − Eb3 1− ε3 F3ε 3
(13)
在试件温度达到平衡时 星体的净吸收热量为 0 加热笼辐射到试件的热量与试件辐射到热沉的 热量相同 即 Q = Q21 = Q13 联立式(3) (8) (10)得
Q21 =
Eb2 − J 3 Eb2 − Eb1 = 1 − ε 21 1 − ε 21 1 1 1 + + + F1 X 12 ε 21 F2 F1 X 12 ε 21 F2 F1 X 13
第 21 卷第 1 期 2004 年 3 月
航 天 器 环 境 工 程 Spacecraft Environment Engineering
19
热真空试验用红外加热笼的热设计
杨晓宁
北京卫星环境工程研究所 摘要 关键词 北京 100029
文章介绍了一种航天器热真空试验用红外加热笼热设计计算的方法 并结合一次试验 有效辐射 文献标识码 红外加热笼 V416.5 热真空试验 热设计 A 文章编号
2 外分别为加热带朝向试件的表面和朝向热沉的表面的发射率
为加热笼覆盖系数
其总热量等于加热笼的发热功率 根据所选取的加热带的类型 宽度和电阻率 R总 = 式中 h b 加热带的电阻率 加热笼覆盖系数 加热带厚度 加热带宽度 W 总 = I2 R 总 根据式(20) (21) (22)并考虑到 Q 总=W 总 可以计算出设计电流 可以计算加热笼的电阻 R 总 (21)
第 21 卷第 1 期
2.1
试件有效辐射的计算 为了使问题简化 采用 总能量 法计算试件的能量平衡 令有
G1
效辐射为试件发出的总辐射 考虑理想状况 即将试件背离加热笼的表面看作是绝热的 图 2 中的实线表示试件 虚线表示离试件表面非常近的一个假想表面 在 平衡工况下 经过该表面达到试件的总热流 G1 和试件的有效辐射 J1 应相等 即 J1 = G1 由于试件的有效辐射等于试件自身辐射和发射辐射之和 所以 J1= 式中
而有效辐射和到达辐射还存在着下面的关系 J2 = 式中
2 2 2Eb2+
1-
2
G2
(5)
加热笼的发射率 加热笼的吸收率 加热笼的黑体辐射热流
2= 2
Eb2 考虑到
利用(4)(5)两式可得
Q=
Eb2 − J 2 1− ε2 F2 ε 2
(6)
加热笼的朝向试件的净辐射热流即为加热笼与试件的净辐射换热 即 Q21 = J2X21F2 - J1X12F1= Q 式中 F2 加热笼的加热带有效面积 (7)