Vol.27 No.5 陈杰等：多热源合成SC传热规律 ·537· 源中间，B点位于1,2两热源上中部，立体三热源 的中心)为代表点（图2），以治炼炉内的温度梯度、 热流强度和温度场的变化情况来研究多热源合 成炉内温度分布规律及传热传质规律 0bb+12b+21 (b)立体三热源 (a)平等三热源 图1冶炼炉边界条件的确定 B· Fig.1 Boundary condition of an SiC synthesis furnace A T表示. 在实验室供电功率不太大、有保护性气体的 情况下，利用红外光谱测温仪对热源表面进行测 图2多热源合成炉几何模型 Fig.2 Geometrical model of a multi-heat-source syuthesis furnace 温，发现热源温度上升到一定高度以后变化幅度 不大，此时可用第一类边界条件作为碳化硅合成 3.1热流强度变化规律 炉数值计算的内边界条件.但是在工业生产中， 对多热源炉不同供电时刻A点热流强度进 工业炉体积大，热源温度高，根本不可能进行实 行计算，结果如图3所示.单热源合成炉中，以炉 际测量.此外，供电功率大，表面负荷高，热源附 芯为中心，热量向四周扩散，传热效果与散热效 近生成的碳化硅常常发生分解，生成的石墨和炉 果好，蓄热程度差：双热源作用时，两热源对A点 芯本身差异不大，致使内边界不断向外移动，因 的热流强度大小相等，方向相反，两热源之间形 此利用恒温条件不再适合， 成了热屏蔽，热能产生叠加，温度升高：当平行增 由于石墨炉芯的导热系数大，供电短时间 加第三个热源时，A点的热流强度并未因多加一 内，热源温度即能达到一定程度，持续供电，在保 个热源而大幅增加，热流强度增加很小（图3(a), 证功率不变的条件下，炉芯供热全负荷进行，加 表明热源2对热源3形成了很好的热屏蔽作用， 热量为一常量，而炉料温度则随加热过程而不断 使得热源3的热量几乎无法向A点传递. 升高：所以，对工业炉来讲，在原始炉芯的边界施 B点位于两热源上方中部，双热源作用时（图 加第二类边界条件比施加第一类边界条件更能 3(6),在水平方向上，两热源的热流强度的大小 反映炉内的实际情况， 相等，方向相反，热源之间形成热屏蔽；垂直方向 因此，定解条件分为： 上，热流强度方向相同，相互叠加，热流强度较单 初始条件Txy川=T. 热源高，B点热扩散动力增强：在平行三热源合 外边界条件7TI+☑++忆 成炉内，热源3加强了B点垂直方向与水平方向 n 的热流强度，所以平行三热源合成炉B点的热流 内边界条件 强度较二热源炉高.但是由于热源2对热源3的 -9wb,-8 T 0=-wb 屏蔽作用，供电结束时，平行三热源合成炉B点 OT ,T -x- lk2+2产-wh, 的热流强度只比二热源炉高出200Wm(图3 dx T (b). 一0xt-i0xF-x门wh, 在立体三热源合成炉内，B点位于三热源公 式中，w为热流密度（表面负荷），W·cm2:b,h为热 共区域中心，在水平方向上，热源1,2屏蔽.垂直 源的宽和高，m:T,T,…,T,为炉体表面各点温 方向上，热源3削弱了1，热源2在垂直方向的热 度，℃. 流强度，供电结束时，B点的热流强度低于二热 导热傲分方程与初始条件及边界条件共同 源合成炉和平行三热源合成炉，即B点单位面积 构成冶炼炉温度场的数学模型.利用ANSYS有 通过的热流量更小.由此表明，立体三热源合成 限元软件对温度场进行求解. 炉热源之间区域的保温效果较二热源与平行三 3 结果及讨论 热源合成炉更好，热能叠加效果更明显：但是热 源结合部的透气性更差，热扩散和物质扩散阻力 选择不同炉型的特征点A,B(A点位于1,2热 更大V b l . 2 7 N 0 . 5 陈杰 等 : 多 热源 合成 is C 传 热规 律 . 53 7 . :叭酬车 二 源 中 间 , B 点位 于 1 , 2 两 热源 上 中部 , 立 体 三热源 的中心 ) 为代表 点 ( 图 2) , 以冶 炼 炉 内的温度 梯度 、 热 流 强度 和 温 度 场 的变 化 情 况 来研 究 多热 源 合 成 炉 内温度 分 布 规律 及传 热 传 质规 律 . 图 1 冶炼 炉边 界条件 的确 定 R g . 1 B o u n d a 叮 e o n d i U o n o f a n S IC , y n t七e s is fu rn a e e (a) 平等三热源 B . 界表示 . 在 实验 室供 电功率 不太 大 、 有 保 护性 气 体 的 情 况 下 , 利 用 红外 光谱 测温 仪对 热源 表 面进 行测 温 , 发 现热 源温 度 上升 到一 定高 度 以后变 化 幅度 不 大 , 此 时可用 第一 类边 界 条件 作 为碳化 硅合 成 炉 数值 计 算 的 内边 界条件 . 但 是 在工 业 生产 中 , 工 业炉 体 积大 , 热源 温 度 高 , 根 本不 可 能进 行 实 际测量 . 此 外 , 供 电功 率大 , 表 面 负荷 高 , 热源 附 近 生成 的碳 化硅 常常 发生 分解 , 生成 的石 墨和 炉 芯 本身 差异 不 大 , 致 使 内边 界 不 断 向外移 动 . 因 此 利用 恒温 条 件 不再 适合 . 由于 石 墨 炉 芯 的 导热 系数 大 , 供 电短 时 间 内 , 热源 温度 即能达 到一 定程度 , 持续 供 电 , 在 保 证 功率 不变 的条件 下 , 炉芯 供 热全 负 荷进 行 , 加 热量 为一 常量 , 而 炉料 温度 则 随加 热过 程 而不 断 升 高 : 所 以 , 对 工业炉 来讲 , 在原 始炉 芯 的边界 施 加 第 二类 边 界 条件 比施 加 第 一类 边 界 条 件 更 能 反 映炉 内的实 际情 况 . 因此 , 定 解 条件 分 为 : 初 始 条件 玲功}箭aT . . .A 1 囚匡 外 边 界条 件 内边 界条 件 一 w o b I , 2矿 一 w o h , , 刁T . , a T , , 刁T . 一人币了l厂户一 几币呀l , 潇 一 几币了}厂3 ~ 0n , 式 中 , w0 为 热流 密度 ( 表面 负荷 ) , W · c m 一 , ; b , h 为热 源 的 宽和 高 , m : 不 , 兀 , … , 式 为 炉 体 表 面 各 点 温 度 , ℃ . 导 热 微 分 方 程 与 初 始 条件 及 边 界 条件 共 同 构成 冶炼 炉温 度 场 的数 学 模型 . 利 用 A N S Y S 有 限元 软件 对温 度 场进 行 求解 . 3 结 果 及 讨 论 选 择不 同炉 型 的特 征 点 A , B( A 点位 于 l , 2 热 图 2 多热 源台成 炉几何 模型 F ig . 2 G e o m e t ir c a l m o d e l o f a m u i-lt h e a -t s o u 代e s y . ht es is fu 门 a e e 1 1 热 流 强度 变 化规 律 对 多 热 源 炉 不 同供 电时刻 A 点热 流 强 度 进 行 计算 , 结果 如 图 3 所 示 . 单热源 合 成炉 中 , 以炉 芯为 中心 , 热量 向 四周扩 散 , 传 热 效 果与 散热 效 果 好 , 蓄 热程 度差 ; 双热 源作 用 时 , 两热 源对 A 点 的热 流强 度 大小 相 等 , 方 向相 反 , 两 热 源之 间形 成 了热 屏蔽 , 热 能产 生叠 加 , 温度 升高 : 当平行 增 加 第三 个热 源 时 , A 点 的热流 强度 并 未 因多加 一 个 热源 而 大 幅增加 , 热流 强度 增 加很 小 ( 图 3 (a) ) , 表 明热 源 2 对 热源 3 形 成 了很 好 的热 屏 蔽作 用 , 使 得热 源 3 的热 量 几乎 无 法 向 A 点传递 . B 点位 于两 热源 上方 中部 , 双热源 作 用 时( 图 3 (b ) , 在 水平 方 向上 , 两 热源 的热流 强度 的大 小 相等 , 方 向相 反 , 热源 之 间形 成热屏 蔽 ; 垂 直方 向 上 , 热流 强度 方 向相 同 , 相互 叠加 , 热 流强度 较单 热源 高 , B 点 热扩 散 动 力增 强 ; 在 平 行三 热源 合 成 炉 内 , 热源 3 加 强 了 B 点垂 直方 向与水 平 方 向 的热 流 强度 , 所 以平 行三 热源 合 成 炉 B 点 的热流 强度 较 二热 源 炉 高 . 但 是 由于 热源 2 对 热源 3 的 屏 蔽作 用 , 供 电结束 时 , 平 行三 热 源 合成 炉 B 点 的 热 流 强 度 只 比 二 热 源 炉 高 出 20 0 W · m 一 2 ( 图 3 (b ) ) . 在立体 三 热源 合 成炉 内 , B 点位 于三 热源 公 共 区域 中心 , 在 水 平方 向上 , 热源 1 , 2 屏蔽 . 垂直 方 向上 , 热源 3 削 弱 了 1 , 热 源 2 在 垂 直方 向的热 流 强度 . 供 电 结束 时 , B 点 的热 流 强度 低 于 二 热 源 合 成炉 和 平行 三 热源 合 成炉 , 即 B 点单 位 面积 通 过 的热 流 量 更小 . 由此 表 明 , 立 体三 热 源合 成 炉 热 源 之 间 区域 的保 温 效果 较 二 热 源 与平 行 三 热源 合成 炉 更好 , 热 能 叠加 效果 更 明显 ; 但是 热 源 结合 部 的透 气性 更差 , 热 扩散 和物 质扩 散 阻力 更 大