奥氏体碳浓度不均匀在球化退火中作用机理的研究

    对实验环境进行恒温控制是很多实验条件的要求,如材料应力实验、食品物性测量实验。在这些小型恒温箱中,特别是采用直接蒸发冷却的恒温箱,其恒温性能 是一个值得研究的问题。在目前的研究中,大多数研究集中于控制系统的研究,通过控制系统来达到恒温性能[1-3]。包长春等研究了恒温箱的接口及PID调 节系统[4];陆仲达等对恒温箱的控制硬件进行了优化[5];房百达等采用H∞法对温度控制系统进行了优化[6]。从这些研究成果可以发现,他们忽略了恒 温箱结构特性对恒温性能的影响,因此研究恒温箱的结构特性将有助于了解恒温箱恒温性的变化。

    1 恒温箱热平衡理论分析

    在分析以前,对恒温箱需要做一定假设:1)恒温箱不存在冷桥,且没有热源;2)恒温箱内空气物性不随温度变化而变化,为定值;3)恒温箱结构材料物性不随温度变化而变化,为定值。

    在以上假设基础上,以恒温箱内部空气为考虑对象,则箱内空气能量变化可以用式(1)表达:

    式中:cp为箱内空气的定压比热容(kJ/(kg•℃));ρ为密度(kg/m³);V为体积(m3);k为传热系数(W/(m2•℃));F为恒温箱的表面积(m2);tw为恒温箱外部空气温度(℃);t为恒温箱内空气的瞬时温度(e);S为时间(s);Qv为恒温箱内的瞬时内热源(W),主要包括恒温箱的结构放热、蒸发器及加热器的放热。

    为了简化对式(1)的求解,认为Qv是一个与时间无关的变量,这一假设也符合事实。对于采用ON/OFF方式控制的恒温箱,当箱内温度达到设定温度时,其 温度在设定范围内波动,加热器或蒸发器和结构蓄热的释放与温度波动有关,但由于波动很小,可以认为蓄热的释放为稳定的。基于这种假设,式(1)可以改写为 式(2):

    初始条件:τ=0,t=t0,t0为恒温箱内温度开始变化时的温度。

    解式(2)可以得恒温箱内的温度随时间波动的情况:

    从式(3)可以看出,除空气物性参数外,恒温箱内的温度主要受到箱内热源、结构表面积及箱内体积的影响,其中结构表面积与体积关系可以用体型系数S(1/m)来表示,如式(4):

    因此式(3)可以改写为:

    2 不同参数的影响分析

    在进行理论分析以前,规定:

    1)恒温箱的容积为0.415 8 m³,这主要是和所进行的实验用箱体体积一致。

    2)恒温箱采用30 mm的聚氨酯保温材料,内部具有夹套,考虑箱内外的对流换热取决于内部的自然对流换热系数,换热系数k以1计算。