筒狀結(jié)構(gòu)局部熱處理中分散式非均勻熱源的輻射傳熱特性研究

劉宏臣 司永宏 王澤軍 趙 軍

(1. 天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院；2. 中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

局部熱處理是焊接結(jié)構(gòu)承壓類特種設(shè)備在制造、修理、改造過(guò)程中的一項(xiàng)重要的工藝過(guò)程，具有消除殘余應(yīng)力、改善補(bǔ)焊區(qū)域金屬性能的作用。由于目前人們對(duì)局部熱處理的了解程度還不夠，因此國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的相關(guān)特種設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于局部熱處理參數(shù)的選取規(guī)定相差較大，甚至存在同一標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi)規(guī)定不一致的情況，給工程的實(shí)際操作帶來(lái)諸多不便。為了更加深入地了解局部熱處理的特性，汪建華等采用有限元模擬技術(shù)做了大量深入的、卓有成效的研究工作，也取得了大量有價(jià)值的成果，但這些成果基本上都是以給定溫度場(chǎng)或熱流密度的方式模擬局部熱處理過(guò)程中的升溫過(guò)程，是一種均勻熱源模型[1～13]。王澤軍等在文獻(xiàn)[14]中給出了一種兩個(gè)陶瓷層、一個(gè)加熱層和一個(gè)空氣薄層構(gòu)成的簡(jiǎn)化熱源模型，但將該文獻(xiàn)中所采用的二維模型擴(kuò)展到三維后就可以看出其依然是一種均勻熱源模型。也就是說(shuō)這些文獻(xiàn)所采取的熱源模型均與實(shí)際熱源有較大的差別。

1 分析模型

實(shí)際熱源與均勻熱源的根本區(qū)別在于其時(shí)間和空間上的不均勻性。熱源的時(shí)間不均勻性體現(xiàn)為熱處理過(guò)程中不同時(shí)刻熱源熱生成率的不同，文中不做過(guò)多的分析。

熱源的空間不均勻性體現(xiàn)為在某一時(shí)刻，熱源不同位置處的熱流密度及溫度等指標(biāo)均不相同。為了評(píng)估這種不均勻性，筆者采用分散式非均勻熱源分析模型(圖1)，以下簡(jiǎn)稱非均勻熱源，其中均勻分散布置的電阻絲用來(lái)模擬實(shí)際熱源的空間不均勻性，并將加熱區(qū)內(nèi)筒體加熱側(cè)表面的最高溫度和最低溫度間的差值定義為溫度場(chǎng)不均勻度，調(diào)整固定加熱區(qū)內(nèi)電阻絲的數(shù)量就可實(shí)現(xiàn)對(duì)熱源空間不均勻度的調(diào)整。

圖1 分散式非均勻熱源模型

2 輻射傳熱分析

在工程實(shí)際中，出于成本等方面的考慮，所有熱處理工藝都要求熱處理過(guò)程必須達(dá)到一定的升溫速度，而在加熱面積相同的前提下，要保持相同的升溫速度必須有相同的產(chǎn)熱量。因此，減少電阻絲數(shù)時(shí)，要保證升溫速度不變，必須通過(guò)增加電阻絲溫度來(lái)提高單根電阻絲的熱生成率，以保證總的熱生成量，而電阻絲溫度的提高勢(shì)必會(huì)造成與其相臨的陶瓷和筒體溫度升高，從而使溫度場(chǎng)的不均勻度增加。

由標(biāo)準(zhǔn)輻射函數(shù)可知，對(duì)于確定的輻射傳熱系統(tǒng)，輻射傳熱量與傳熱雙方溫度4次方的差成正比，因此當(dāng)電阻絲數(shù)減少時(shí)，溫度場(chǎng)不均勻度的增加必然會(huì)造成總輻射傳熱在總生成熱中所占比例增加(圖2)。

圖2 電阻絲數(shù)對(duì)輻射傳熱的影響

標(biāo)準(zhǔn)輻射函數(shù)：

q=σεFA(TI4-TJ4)

(1)

式中A——垂直于導(dǎo)熱方向的物體的橫截面積；

F——幾何形狀系數(shù)；

q——熱流率；

TI、TJ——傳熱雙方溫度；

ε——發(fā)射率；

σ——Stefan- Boltzmann常數(shù)(SBC)，σ=5.67×10-8W /(m2·K4)。

文獻(xiàn)[14]中在采用均勻熱生成模型對(duì)球形儲(chǔ)罐局部熱處理中的輻射傳熱進(jìn)行分析，得出“空氣薄層的輻射作用累計(jì)所傳遞的熱量占累計(jì)總生成熱量的40%”的結(jié)論(圖3)。從圖4可以看出，在布置64根電阻絲的典型加熱工況下的非均勻熱源輻射傳熱也具有與均勻熱源一樣的特點(diǎn)，即在升溫過(guò)程中，輻射累計(jì)傳遞的熱量占總熱生成量的比例呈線性增加，但所占比例總體較該文獻(xiàn)中記載的要大，到恒溫階段時(shí)單步熱輻射熱量占到單步熱生成率的約60%，總輻射熱量在總熱生成量中所占的比例達(dá)到了約47%，實(shí)際比例值分別比文獻(xiàn)[14]中均勻熱源的比例高出了20%和約5%。

如果定義R為最大相對(duì)輻射傳熱比，且滿足：

(2)

Pn∈MAX{Rj},n、j∈N

(3)

(4)

Rj∈{R1,R2,…,Rn},j、n∈N

(5)

式中n——所用非均勻熱源的電阻絲數(shù)；

Pn——n根電阻絲里，輻射傳熱量在總生成熱量中所占比例的最大值；

Rj——電阻絲數(shù)為n時(shí)第j根電阻絲輻射傳熱量在其總生成熱量中所占的比例；

圖3 文獻(xiàn)[13]中累計(jì)熱量和輻射傳遞熱量的比例

圖4 典型加熱工況時(shí)累計(jì)傳熱情況分析

則由前文的分析可知，隨著電阻絲數(shù)的增加，相鄰電阻絲間的間距越來(lái)越小，各電阻絲所造成的溫度場(chǎng)的疊加會(huì)使溫度場(chǎng)不均勻度逐漸減小并趨近于均勻熱源的水平，這時(shí)最大相對(duì)輻射傳熱比也逐漸趨于一個(gè)常數(shù)。圖5所示為電阻絲數(shù)為1～100時(shí)局部熱處理過(guò)程的最大相對(duì)輻射傳熱比分析，由圖可知當(dāng)電阻絲數(shù)大于15時(shí)，最大相對(duì)輻射傳熱比將小于1，當(dāng)電阻絲數(shù)大于30時(shí)，最大相對(duì)輻射傳熱比趨于一個(gè)略小于1的常數(shù)，即輻射傳熱在總熱生成量中所占的比例已基本不再受電阻絲數(shù)增加的影響。

圖5 電阻絲數(shù)對(duì)最大相對(duì)輻射傳熱比的影響

3 結(jié)論

3.1在電阻絲數(shù)為64根時(shí)，典型加熱工況下的升溫過(guò)程中，輻射所累計(jì)傳遞的熱量占總熱生成量的比例呈現(xiàn)線性增加，到恒溫階段時(shí)單步熱輻射熱量占到單步熱生成率的約60%，總輻射熱量占總熱生成量的比例達(dá)到了約47%，實(shí)際比例值分別比文獻(xiàn)[14]中均勻熱源的比例高出了20%和約5%。

3.2提出了溫度場(chǎng)不均勻度的概念，并指出在加熱面積和升溫速度相同的前提下，電阻絲數(shù)減少會(huì)導(dǎo)致單個(gè)電阻絲的熱生成率增加，并導(dǎo)致加熱區(qū)域內(nèi)溫度場(chǎng)不均勻度加大。

3.3提出了最大相對(duì)輻射傳熱比的概念，并指出最大相對(duì)輻射傳熱比隨著電阻絲數(shù)的增加而逐漸減小，當(dāng)電阻絲數(shù)大于15時(shí)，最大相對(duì)輻射傳熱比降到1以下；當(dāng)電阻絲數(shù)大于30時(shí)，相對(duì)輻射傳熱比趨于一個(gè)略小于1的常數(shù)，即輻射傳熱在總熱生成量中所占的比例已基本不再受電阻絲數(shù)變化的影響。

[1] 汪建華，陸?zhàn)?局部焊后熱處理最佳加熱條件的研究(一)一種基于粘彈塑性有限元分析的直接評(píng)定方法[J].壓力容器，1999，16(1)：14～17.

[2] 汪建華，陸?zhàn)?局部焊后熱處理最佳加熱條件的研究(二)臨界加熱寬度的確定準(zhǔn)則[J].壓力容器，1999，16(2)：8～11.

[3] 汪建華，陸?zhàn)?，村川英?局部焊后熱處理加熱寬度的直接評(píng)定方法[J].焊接學(xué)報(bào)，2000，21(2)：39～42.

[4] Wang J H，LU H，Murakawa H.Mechanical Behavior in Local Post Weld Heat Treatment(Report I)—Visco- Elastic- Plastic FEM Analysis of Local PWHT[J]. Transaction JWRI，1998，27(1)：83～88.

[5] Wang J H,LU H，Murakawa H.Mechanical Behavior in Local Post Weld Heat Treatment (Report II)—Determination of Critical Heated Band During Local PWHT[J]. Transaction JWRI，1998，27(1)：89～95.

[6] 陸?zhàn)?，汪建華，村川英一.基于粘彈塑性理論局部焊后熱處理評(píng)定準(zhǔn)則[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，35(3)：427～430.

[7] 汪建華，陸?zhàn)?，魏良武，?局部焊后熱處理兩類評(píng)定準(zhǔn)則的研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001，37(6)：24～28.

[8] 陸?zhàn)?，汪建華，村川英一.多層焊焊接應(yīng)力分布對(duì)管子局部熱處理應(yīng)力釋放準(zhǔn)則的影響[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，34(12)：1618～1621.

[9] 陸?zhàn)?，汪建華，村川英一.三維管接頭焊后局部熱處理加熱寬度準(zhǔn)則[J].焊接學(xué)報(bào)，2001，22(1)：11～14.

[10] 陸?zhàn)艚ㄈA，村川英一.Cr- Mo鋼管子局部焊后熱處理加熱寬度準(zhǔn)則的確定[J].焊接學(xué)報(bào)，2006，27(3)：5～8.

[11] 王澤軍，荊洪陽(yáng).球形容器局部加熱過(guò)程數(shù)值跟蹤與分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，39(7)：861～865.

[12] 王澤軍，盧惠屏，荊洪陽(yáng).加熱面積對(duì)球罐局部熱處理應(yīng)力消除效果的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2008，29(3)：125～128.

[13] 王澤軍.球形儲(chǔ)罐局部消應(yīng)力熱處理的機(jī)理與效果評(píng)價(jià)研究[D].天津：天津大學(xué)，2007.

[14] 王澤軍，陸金明，劉宏臣.球形容器局部熱處理的熱源特征研究[C].壓力容器先進(jìn)技術(shù)——第七屆全國(guó)壓力容器學(xué)術(shù)會(huì)議.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：639～642.