CN104050320A - 一种电熨斗底板温度分布的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电熨斗底板温度分布的计算方法。将电熨斗底板视作截面相同的平板，建立平板物理模型A；将电熨斗加热管视作U形管，建立U形管物理模型B；根据电熨斗加热管与电熨斗底板的位置，将U形管物理模型B平行嵌入到平板物理模型A上建立有限元模型C，根据有限元模型C通过有限元法计算得到平板下表面中心线的中点温度作为关键点温度，计算各时刻下的平板温度分布作为电熨斗的底板温度分布。本发明通过测量所得的参数作为基本条件，避免了电熨斗附加热电偶及导热硅油对底板温度场的影响，能够完整地计算得到任意时刻任意位置底板温度的分布，精度高，操作方便。

Description

一种电熨斗底板温度分布的计算方法

技术领域

本发明涉及一种温度分布的计算方法，尤其是涉及一种电熨斗底板温度分布的计算方法。

背景技术

电熨斗已经成为现代生活必备的家庭工具之一，而且现在的电熨斗不仅仅具有加热功能，还包括其它附加功能如：恒温、蒸汽、喷雾等等，这些功能的实现要有一个基本的条件才能实现，就是电熨斗底板的精确测温，所以电熨斗底板温度分布的检测也是科学研究的一个重要方向。

目前对电熨斗的检测方式还停留在用热电偶进行接触测量，本文创新了一种方法，可以对不同结构的底板温度进行计算，通过与福禄克Ti25热像仪进行比较，温度的误差在5℃以内，为今后设计新的电熨斗以及底板温度检测提供一种新的可行方法。

现有的对电熨斗底板温度检测的方法，存在的缺陷和不足之处如下：

由于接触测温要求测量热电偶放置于电熨斗底板上，一般需要附着上导热硅油，用聚酯胶固定，操作不方便，还要影响电熨斗的底板温度场；检测时只测量电熨斗底板四个点的温度，不能很好反应整个底板的温度状态；存在进一步改进空间。

发明内容

针对背景技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种电熨斗底板温度分布的计算方法，简单有效，可以通过测量电熨斗的外观尺寸、加热管尺寸、功率等信息而进行温度预测，减少不必要的实验和材料。

为解决上述问题，本发明的电熨斗底板内嵌有电熨斗加热管，包括以下步骤：

1)将电熨斗底板视作截面相同的平板，建立平板物理模型A，平板物理模型A的参数包括平板的厚度d、底面积S、密度ρ、导热系数k和比热c、室温T_f以及平板对空气的对流换热系数h_f，平板的厚度d、底面积S、密度ρ、导热系数k和比热c均与电熨斗底板的属性相同；

2)将电熨斗加热管视作U形管，建立U形管物理模型B，U形管物理模型B的参数包括U形管中心线与U形管一侧直管部分的中轴线之间的距离r₁、U形管两侧直管部分的半径r₂和U形管两侧直管部分的长度h；

3)根据电熨斗加热管与电熨斗底板的位置，将U形管物理模型B平行嵌入到平板物理模型A上建立有限元模型C，有限元模型C中，U形管物理模型B和平板物理模型A的对称中心线重合，U形管物理模型B嵌入平板物理模型A的深度为U形管两侧直管部分的半径r₂；

4)根据有限元模型C通过有限元法计算得到平板下表面中心线的中点温度作为关键点温度，计算各时刻下的平板温度分布作为电熨斗的底板温度分布。

所述的步骤4)中计算各时刻下的平板温度分布具体采用以下方法：

设定温度常数T，当该关键点温度大于温度常数T时，将近似热流密度q_w代入所述的有限元模型C中计算当前时刻下的平板温度；当该关键点温度小于温度常数T时，将近似热流密度q_w等于零代入所述的有限元模型C中计算当前时刻下的平板温度。

所述的温度常数T为电熨斗内的双金属片控温元件的断开温度。

所述的近似热流密度q_w根据电熨斗的功率Q和U形管物理模型B通过以下公式计算得到：

$q_w=\frac{Q}{2\mathrm{\π}{r}_2(\mathrm{\π}{r}_1+2h)}\·R_w$

其中，R_w＝0.7为电熨斗加热管的加热丝热量传递到电熨斗加热管的外部套管上热量的百分比。

本发明的有益效果是：

本发明是在电熨斗底板温度计算过程中，通过测量所得的参数作为基本条件，本发明方法避免了电熨斗附加热电偶及导热硅油对底板温度场的影响，能够完整地计算得到底板温度的分布，精度高，操作方便。

附图说明

图1为平板物理模型A的示意图。

图2为U形管物理模型B的截面示意图。

图3为有限元模型C的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明中电熨斗底板内嵌有电熨斗加热管，本发明方法包括以下步骤，

1)如图1所示，将电熨斗底板视作截面相同的平板，建立平板物理模型A，平板物理模型A的参数包括平板的厚度d、底面积S、密度ρ、导热系数k和比热c、室温T_f以及平板对空气的对流换热系数h_f，平板的厚度d、底面积S、密度ρ、导热系数k和比热c均与电熨斗底板的属性相同；

2)如图2所示，将电熨斗加热管视作U形管，建立U形管物理模型B，U形管为圆柱形管，U形管物理模型B的参数包括U形管中心线与U形管一侧直管部分的中轴线之间的距离r₁、U形管两侧直管部分的半径r₂和U形管两侧直管部分的长度h；

3)如图3所示，根据电熨斗加热管与电熨斗底板的位置，将U形管物理模型B平行嵌入到平板物理模型A上建立有限元模型C，有限元模型C中，U形管物理模型B和平板物理模型A的对称中心线重合，U形管物理模型B嵌入平板物理模型A的深度为U形管两侧直管部分的半径r₂；

4)根据有限元模型C通过有限元法计算得到平板下表面中心线的中点温度作为关键点温度，平板下表面等同为电熨斗底板的底面，计算各时刻下的平板温度分布作为电熨斗的底板温度分布。

所述的步骤4)中计算各时刻下的平板温度分布具体采用以下方法：

设定温度常数T，当该关键点温度大于温度常数T时，将近似热流密度q_w代入所述的有限元模型C中计算当前时刻下的平板温度；当该关键点温度小于温度常数T时，将近似热流密度q_w等于零代入所述的有限元模型C中计算当前时刻下的平板温度。

所述的温度常数T为电熨斗内的双金属片控温元件的断开温度。

所述的近似热流密度q_w根据电熨斗的功率Q和U形管物理模型B通过以下公式计算得到：

$q_w=\frac{Q}{2\mathrm{\π}{r}_2(\mathrm{\π}{r}_1+2h)}\·R_w$

其中，R_w为电熨斗加热管的加热丝热量传递到电熨斗加热管的外部套管上热量的百分比，其数值跟内部氧化镁填充物的压实程度有关。

本发明的原理如下：

1)假定电熨斗初始时刻温度分布均匀，且为室温T_c＝20℃，h_f为平板对空气的对流换热系数，简称为换热系数。底板上表面，受到加热管的热流密度为q_w的间断性加热；底板下表面处始终受到空气对流的冷却，得到以下边界条件：

其中，T_f为与底板下表面相交换的空气温度，h_f为对应的换热系数。

2)假定底板各向材料性能相同，材料导热系数相同，热扩散率a＝k/ρc＝9.63×10^-5m²/s。以底板上表面中心轴线与底板末端的交点为原点，中心轴线方向为y轴，沿底板方向为z轴，垂直上下表面方向为x轴，建立控制微分方程为以下公式：

$\frac{\∂T}{\∂t}=a(\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{\∂z^2})$

给定初始条件T_f＝20℃和边界条件h_f＝15W/(m²·℃)，即可得到当前时刻温度的唯一解。

本发明的实施例如下：

根据图1～图3所示的电熨斗底板模型，包括电熨斗底板、电熨斗加热管，所述电熨斗加热管嵌入所述电熨斗底板上。电熨斗底板温度分布计算方法具体步骤如下：

1)测量得电熨斗底板视为厚度d，其值为0.004m，底面积S，其值为0.115m²，密度ρ＝2700kg/m³的平板；

其三维物理模型示意图如1所示，底板上表面受到加热管热源的加热，其热流密度为q_w，下表面受到空气的对流换热，其表面传热系数为h_f＝15W/(m²·℃)，空气温度为T_f＝20℃；

2)设温控器接通后的加热管，电熨斗加热管的加热丝热量传递到电熨斗加热管的外部套管上热量的百分比R_w＝0.7；

3)底板的导热系数k＝237W/(m·℃)、比热c＝900J/(kg·℃)为常数，不随温度变化而变化；

4)加热管为U型圆柱体，嵌于底板上表面，其发热量可用热流密度表示，加载在与底板接触的内表面上，发热管中心截面示意图如2所示，其热流密度qw，其值为：

$q_w=\frac{Q}{2\mathrm{\π}{r}_2(\mathrm{\π}{r}_1+2h)}\·R_w=1.337e5W/m^2;$

7)电熨斗的底板视为平板后，其下表面中心轴线中点为关键点：

在0～130s中，当此关键点的计算温度小于175℃时，始终在加热管加载q_w，其值q_w＝1.337e5W/m²，当此关键点的计算温度大于230℃时，对加热管不加载热流密度。

在130～400s中，当此关键点的计算温度小于175℃时，始终在加热管加载q_w，其值q_w＝1.337e5W/m²，当此关键点的计算温度大于220℃时，对加热管不加载热流密度。

然后实际中，用福禄克的红外热像仪Ti25测量电熨斗的实际底板温度，将实施例得到的第一次峰值温度电熨斗的温度极值(t＝39s)并与实际温度进行比较，得到以下数据，如表1所示：

表1

将实施例得到的第一次峰值温度电熨斗的温度极值(t＝149s)并与实际温度进行比较，得到以下数据，如表2所示：

表2

将实施例得到的第一次峰值温度电熨斗的温度极值(t＝158s)并与实际温度进行比较，得到以下数据，如表3所示：

表3

这种用有限元法计算电熨斗底板温度分布的方法计算方便，精度高，避免了导热硅胶和热电偶对温度的影响。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电熨斗底板温度分布的计算方法，电熨斗底板内嵌有电熨斗加热管，其特征在于包括以下步骤：

1)将电熨斗底板视作截面相同的平板，建立平板物理模型A，平板物理模型A的参数包括平板的厚度d、底面积S、密度ρ、导热系数k和比热c、室温T_f以及平板对空气的对流换热系数h_f，平板的厚度d、底面积S、密度ρ、导热系数k和比热c均与电熨斗底板的属性相同；

2)将电熨斗加热管视作U形管，建立U形管物理模型B，U形管物理模型B的参数包括U形管中心线与U形管一侧直管部分的中轴线之间的距离r₁、U形管两侧直管部分的半径r₂和U形管两侧直管部分的长度h；

3)根据电熨斗加热管与电熨斗底板的位置，将U形管物理模型B平行嵌入到平板物理模型A上建立有限元模型C，有限元模型C中，U形管物理模型B和平板物理模型A的对称中心线重合，U形管物理模型B嵌入平板物理模型A的深度为U形管两侧直管部分的半径r₂；

4)根据有限元模型C通过有限元法计算得到平板下表面中心线的中点温度作为关键点温度，计算各时刻下的平板温度分布作为电熨斗的底板温度分布。

2.根据权利要求1所述的一种电熨斗底板温度分布的计算方法，其特征在于：所述的步骤4)中计算各时刻下的平板温度分布具体采用以下方法：

设定温度常数T，当该关键点温度大于温度常数T时，将近似热流密度q_w代入所述的有限元模型C中计算当前时刻下的平板温度；当该关键点温度小于温度常数T时，将近似热流密度q_w等于零代入所述的有限元模型C中计算当前时刻下的平板温度。

3.根据权利要求2所述的一种电熨斗底板温度分布的计算方法，其特征在于：所述的温度常数T为电熨斗内的双金属片控温元件的断开温度。

4.根据权利要求2所述的一种电熨斗底板温度分布的计算方法，其特征在于：所述的近似热流密度q_w根据电熨斗的功率Q和U形管物理模型B通过以下公式计算得到：

$q_w=\frac{Q}{2\mathrm{\π}{r}_2(\mathrm{\π}{r}_1+2h)}\·R_w$

其中，R_w为电熨斗加热管的加热丝热量传递到电熨斗加热管的外部套管上热量的百分比。