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高频焊翅片管对流散热器换热的优化研究
来源:本网信息部整理 作者:* 时间:2008-3-25 【字体:

哈尔滨建筑大学      董重成 

摘 要  高频焊对流散热器是近几年开发的一种新型的采暖设备,翅片管的排列形式、翅片高度、翅片间距、翅片厚度、罩高的变化都会对散热量产生影响。本文从高频焊翅片管散热器的结构类型以及散热器的型式、尺寸等因素对换热影响的进行了试验研究,给出了高频焊对流散热器最佳结构型式。

关键词 散热器 换热 试验研究

0  前言

  高频焊对流散热器是近几年开发的一种新型的采暖设备。自1993年被建设部列为重点推广科研成果以来,发展比较迅速。但是由于目前无统一的行业标准,各厂生产的产品质量差别较大,且结构型式、尺寸也有较大的差异,因而各项性能指标也各不相同。本文研究了对影响换热的几个问题,并给出了研究结果。

1  产品的结构型式

  该产品以高频焊翅片管为换热元件,进行不同型式排列后将其两侧连接,形成串联或并联的水流通形式,并为美观和增强换热在整体上加罩形成散热器。所谓高频焊翅片管就是在钢管上缠绕钢带,并在缠绕同时利用高频焊接将钢带焊在钢管上,从而消除了冷缠绕时存在的接触热阻,提高了换热效果。

  目前生产的高频焊翅片管散热器,从翅片管排列形式上分为:顺排、叉排、L形排列、十形排列几种,详见图1

 
按水流形式:有串联和并联两种,见图2


               
在罩高上有400rnm、 500mm、550mm、 600mm;在宽度上有120mm、130mm、140mm,一般叉排为120mm, L、十形排列为140mm 。

由于采用翅片管数不同又有二根、三根、四根、五根、六根之分,目前用的较多的为四根管、六根管组合成的散热器。

对于罩的样式又有在正面罩板开前孔和不开前孔之分。

对于翅片管之间的连接又有用水盒(分大、小盒)和弯管之分。

2  型式、尺寸对散热量的影响

影响翅片管散热器散热的因素很多,本文仅讨论生产中几种型式、尺寸变化对该产品散热量的影响。

2. 1  翅片管本身变化对散热器的影响

2.1.1  翅片高度、间距对散热的影响

  翅片管的翅片高度、翅片间距、翅片厚度的变化都会对散热量产生影响。一般情况下翅片管高度为17. 5mm(用19mm带钢缠绕),翅片间距为5~7mm,翅片厚度为1.0mm。但是有些生产厂为了测试到理想散热量,名义上按上述尺寸加工,而在生产中则降低翅片高度、加大翅片间距,从而节省了钢材、降低了成本,但却造成实际散热量达不到测试值。有的生产厂将翅片高度降低到15. 5mm (17mm带钢缠绕),甚至降到12. 5mm,将翅片间距加大到l 0mm,由此会导致散热量明显降低。若将翅片高度由17. 5mm降低到15. 5mm,会使每米长1管通径的翅片管散热面积降低10% ;若由17. 5mm变成12. 5mm,则散热面积降低16% 。若翅片间距由7mm变成l 0mm,则散热面积减少26% 。

  通过实验可以证实,翅片管在肋片高度和间距变化时可引起散热量近30%的差别。如由四根翅片管组成的lm长翅片散热器的散热量,有的仅为1311W,而较高的已达到1848W,相差400%。

  我们还用计算机对不同罩高的翅片间距进行了优化,表1是翅高18mm时的优化结果。表2是不同肋高的优化结果。表2中金属热强度的单位为W/(kg?℃)。

表1       翅高18mm时的优化结果


表2       不同肋高优化的金属热强度      W/(kg?℃)


2.1.2  翅片焊合率对散热的影响

  翅片表面温度沿翅片高度的变化情况,可用如图3所示的Q=f (x)曲线表示,
图中: Q——过余温度;
   x——翅片高度。
肋基过余温度        Q0=t0 -tf
肋端l处过余温度    Ql = t1 -tf
式中:t0——肋基温度;
  tf——翅片边界温度;    图 3翅片表面温度沿翅片高度的变化
  tl——翅片l处温度。
翅片全部焊合后将消除翅片与管的接触热阻。若焊合不好,出现接触热阻,则在肋管和翅片之间出现较大的温差,使图中,                               
Q= f (x)曲线在靠近Q0处有一明显下降致使翅片表面温度降低而影响散热量。            
通过实验,冷缠绕的散热量约为高频焊翅片管的80 % 。
2.2  罩高对散热器换热的影响
如管束排列形式为叉排,入口和出口间作用的理论热压差为


设        

                   
称为气柱高度。由伯努力方程得罩内理论流速为


 
由于形状阻力和空气粘滞阻力的影响,实际流速为


 
式中::h0——原罩高尺寸,m;
   h——变化后罩高尺寸,m;
   ——进人管速的空气密度,kg/m3 ;
   ——被管束加热后的空气密度,kg/m3 ;
   ——空气的平均密度,kg/m3 ;
   Cd——系数,0< Cd <1 。
当罩内平均温度不变时,Cd随高度变化不大。因为h~h0这段的沿程阻力损失可被忽略,当h增加时,罩内流速增加辐度较大,而罩内空气平均温度变化不大,这样,当忽略罩内的边侧热损失时,根据罩内热平衡方程,散热器的散热量和罩内的空气流速近似成正比,而和罩高的平方根成正比。可见不同罩高散热器的散热量近似有如下关系:


 
式中: ——罩高变化后的散热量,W ;
   ——原罩高的散热量,W 。
  上述的数学关系式通过实验得到验证。其中一组数据在罩高500mm时散热量为1529W,罩高为600mm时散热量为1659W,罩高为630mm时散热量为1700W 。罩高在500mm以下变化时,其对散热量影响会更大。

  另一方面,罩本身要消耗一定的金属量,从金属热强度最大来分析,理论上存在一个最佳罩高。利用实验数据及试验证明这一最佳高度远远超过罩实际使用时允许设置的高度。因此,从实际可安装使用讲,罩越高越好。

  2.3  罩形式变化对散热里的影响

  翅片管加罩使用后,既起到了美观作用又提高了换热效果。但是罩的形式对散热影响较大。有的厂家由于对换热原理并不清楚,所以对罩的形式设计有些不很合理,甚至有的生产厂认为在罩的正面上下各开一些条缝会有利空气流通,有利于换热。实际上这种作法是错误的。道理很简单,罩内空气流通形成的自然压头△p=h△t与罩高度成正比,若罩正面上下开口实际是减小了形成自然压头的高度值,因此也减少了由此烟囱效应提高的换热量。

  由实验得到:当罩高500mm时,在罩正面上下开条形孔,将使散热量下降8% ;而若上侧开孔又比上下开孔的散热量提高2% 。

  有的厂家为增加罩板底边的强度做成折边形式,由于该边直接遮挡了气流,降低了翅散热,实验表明,四根管的散热量约减少5% 。

  2. 4  翅片管的排列形式对散热的影响

  由于翅片管扰动热流等原因,叉排比顺排有利放热。

  顺排时,最下层的一根管与室内未被加热的空气接触,而上部各根管附近的空气是被下部翅片管加热后上升的空气。而叉排时,在下部有二根翅片管与室内未加热的空气接触,因此,从格拉晓夫准则可以看出,叉排的放热系数比顺排时大。

  式中:△t为翅片温度与空气温度的差值。从排列形式上看叉排的△t显然大于顺排时的值。
除了叉排的温差△t大外,其流动阻力也比顺排小,这也对自由对流换热有利。

  目前排列形式基本为前述的四种形式,而用得较多的为S型和L型。一般L型宽度为140mm,S型为120mm,由此而产生的散热量差别:一般四根管lm长规格散热器L型比S型排列的散热量约高5% ,对于顺排排列则比叉排排列的散热量要降低20%左右。

  3  结束语

  高频焊对流散热器被建设部列为重点推广科研成果以来,发展比较迅速。翅片管的排列形式、翅片高度、翅片间距、翅片厚度、罩高的变化都会对散热量产生影响。本文给出的高频焊对流散热器优化结构型式可供生产和研究参考。该类产品仍有一些问题需进一步深入研究。

  *本论文在1992年12月采暖散热器委员会第四届行业年会进行过交流,并修改后在《应用能源技术》1997年第二期发表,该文是发表时的原文。
 

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