带闭式空腔的铜铝复合柱翼型散热器研究及优化

第２６卷第６期　建筑热能通风空调　２００７年ｌ２月　Ｖ０１．２６　Ｎｏ．６　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｅｎｅｒｇｙ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｄｅｃ．２０ｏ７．６２　６５　文章编号：１００３．０３４４（２００７）０６．０６２．４　带闭式空腔的铜铝复合柱翼型散热器研究及优化　余才锐　郭占军　杨晓亚　（１皖西学院城市建设与环境系；２华北水利水电学院环境与市政工程学院；　３宝鸡石油机械有限责任公司）　摘要：本文对铜铝复合柱翼型散热器闭式空腔的传热情况进行理论研究，得到闭式空腔铝翼管各表面温度的数　值解析解、闭式空腔内部和单柱散热器的散热量等。然后对常见的此类铜铝复合柱翼型散热器进行实验测试，将　测试所得的闭式空腔和散热器散热量与理论计算结果进行分析，得出理论数值与实验数值相差均在５．７７％以内，　闭式空腔内的散热量与其当量直径的函数关系图和闭式空腔内散热量较大时其当量直径的范围；并提出了提高　散热器的整体散热量，优化其闭式空腔的具体措施。　关键词：铜铝复合柱翼型散热器闭式空腔散热量理论计算当量直径优化　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　Ｃｏｐｐｅｒ－ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ｃｏｌｕｍｎ—ｗｉｎｇ・ｔｙｐｅ　Ｒａｄｉａｔｏｒ　ｗｉｔｈ　Ｃｌｏｓｅｄ　Ｃａｖｉｔｙ　Ｙｕ　Ｃａｉｒｕｉ　，Ｇｕｏ　Ｚｈａｎｊｕｎ。ａｎｄ　Ｙａｎｇ　Ｘｉａｏｙａ　（１　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆＵｒｂａｎ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｗｅｓｔ　Ａｎｈｕｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ；　２　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ＆Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙｔ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃ　Ｐｏｗｅｒ；　３　Ｂａｏｊｉ　Ｏｉｌｉｆｅｌｄ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｔａｋｅｓ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ￣ａｎｓｆｅｒ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｃｏｐｐｅｒ‘ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｃｏｌｕｍｎ—ｗｉｎｇ—ｔｙｐｅ　ｒａｄｉａｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｃｌｏｓｅｄ　ｃａｖｉｙｔ，ｇｅｔｓ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｐａｒｔｓ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ—ｗｉｎｇ－ｐｉｐｅ，ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｃｌｏｓｅｄ　ｃａｖｉｙｔ　ａｎｄ　ｓｉｎｇｌｅ—ｃｏｌｕｍｎ　ｉｎ　ｃｏｐｐｅｒ－ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｃｏｌｕｍｎ—ｗｉｎｇ－ｔｙｐｅ　ｒａｄｉａｔｏｒ，ｅｔｃ；ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄａｔａ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｈｔｅ　ｒａｄｉａｔｏｒｓ　ｎａｄ　ｃｌｏｓｅｄ　ｃａｖｉｙｔ，ｏｂｔａｉｎｓ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｈｔｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄａｔａ　ａｎｄ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｄａｔａ　ｉｓ　ｂｅｙｏｎｄ　５．７７％，　ｇｅｔｓ　ｔｅｈ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｒｅｌｔａｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｅｈａｔ　ｄｉｓｓｉｐａｔｎｉｇ　ｃａｐａｃｉｙｔ　ａｎｄ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｄｉａｍｅｔｅｒ，ａｎｄ　ｈｔｅ　ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｕｎｄｅｒ　ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ　ｈｉｇｈ　ｈｅａｔ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｙｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｔｅｈ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｈｅａｔ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｙｔ　ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｌｏｓｅｄ　ｃａｖｉｙｔ　ｎｉ　ｈｔｅ　ｒａｄｉａｔｏｒ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｐｐｅｒ－ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｃｏｌｕｍｎ－ｗｉｎｇ—ｔｙｐｅ　ｒａｄｉａｔｏｒ，ｃｌｏｓｅｄ　ｃａｖｉｙｔ，ｈｅａｔ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｙｔ，ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　铜铝复合柱翼型散热器是我国自主研发一种新　越多的重视。虽然有关肋片传热曾经有人做了大量的　型散热器，它既满足“安全可靠、轻薄美新”的要求，又　研究工作，但很少有人对铜铝复合柱翼型散热器肋片　具有很高的金属热强度。近两年来铜铝复合柱翼型散　传热情况进行综合研究，尤其是对其带闭式空腔的理　热器的市场占有率从３％上升至１１．３％，而且保持着强　论研究更是缺乏，因此仅以现有的理论已经很难满足　劲的上升势头，所以该类型散热器的研究也受到越来　铜铝复合柱翼型散热器日益发展的需要，为此，笔者对　收稿日期：２００７，５．１　作者简介：余才锐（１９８０～），男，硕士；安徽省六安市皖西学院城市建设与环境系土木工程教研室（２３７０１２）；Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｕｃｒ２０００＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２６卷第６期　余才锐等：带闭式空腔的铜铝复合柱翼型散热器研究及优化　‘６３‘　此类散热器进行实验和理论研究。　空气温度为　（铝翼管的闭式空腔空气温度）、　（铝翼　管翅间表面的空气温度）和外界空气环境温度‰肋片　１　闭式空腔的理论分析　１．１闭式空腔的结构型式　与周围环境之间有热交换，包括传导、对流和辐射换　热，因此首先应确定肋片周围边界的放热系数（包括对　流和辐射）和肋片的温度场。　一　岛　～Ｊ　…　。　～目前我国常见带闭式空腔的铜铝复合柱翼型散　热器铝翼管的截面图如１所示，本文中为叙述方便，把　一　，．　这三种散热器命名为Ａ型、Ｂ型、Ｃ型。在图１中，Ａ为　铝翼管长度，Ｂ为铝翼管宽度，Ｄ为立柱铜管的内径，　ｈ　为铝翼管外表面长度，ｈ为铝翼管闭式空腔的肋片　高度，厶ｌ为铝翼管闭式空腔的肋基长度，　为铝翼管　翅间肋基长度。　ｌｅ．　＿　＿Ｌ　卜　（ａ）Ａ型　ｌｅ．　Ｈ　出　＋　Ｊ－　卜　ｌｅ．　．　一一　＿ｒ　．．　一一　一一　：三ｊ　＝　＿＿＿一　一～＿＿ｌｔ　　．．。　ｌ＿Ｌ　１．２闭式空腔导热方程　铜铝复合柱翼型散热器带闭式空腔数学模型的　建立是在其铝翼管的中截面（可认为铝翼管上下部分　的温度场以此中截面为对称）的基础上，选取其截面　的一部分，如图２所示，即取铝翼管的肋片高度ｈ和闭　式空腔外表面长度的一半　ｗ／２（铝翼管截面温度场是　以铝翼管外表面的一半对称）。取肋片的高度方向为　坐标轴的　轴方向，肋片的厚度方向为坐标轴的Ｙ轴　方向。铝翼管的肋基温度　为已知，并设　大于周围　图２铜铝复合柱翼型散热器数学模型示意图　根据传热学［１］可以知道：　箬＋　］　ｔｘ＝ｏ　　Ｉ：　＋　＝。ｊ　其中：　：一亟　：一　（　二　！±　！！二　』　（２）　：　，：：　！　‘ｈ＋　／２　（３）　＋　ｔ　一　＋矗。　／２　（４）　式（１）～（４）中：ＯＬ　是铝翼管翅间表面换热系数ＯＬ　和外　表面换热系数ＯＬ丝的算术平均值；　是铝翼管翅间表面　空气温度ｆ　和外表面空气温度　的算术平均值。各表　面的换热系数包括对流换热系数和辐射折合成对流形　式的换热系数。　ｍ　ＬＰ　＋（５）　．　其中：　，　＆　ｔｆＩ＋＆　ｔｎ　。二　！　。　１＋Ｐ　（２＾＋　。　式中：ｆ为闭式空腔铝翼管的温度，℃；Ａ为铝翼管的导　热系数，Ｗ／（ｉｎ・℃）；ｏｚ　为闭式空腔的换热系数，　Ｗ／（ｍ　・℃）；Ｕ为铝翼管直肋的半周长（Ｌ＋ｂ），ｍ；Ｌ为　铝翼管的高度，ｍ；ｂ为铝翼管肋片的厚度，ｍ；Ａ。为铝　翼管肋片的截面面积（Ｌｂ），ｍ　；　为方程的源项。　利用式（２），根据积分理论［２］可计算铝翼管各表面　的平均温度，再运用牛顿冷却公式计算出铝翼管各表　维普资讯 http://www.cqvip.com 建筑热能通风空调　２００７．雏　面的散热量和单柱散热器总的散热量。在计算铝翼管　各表面的换热系数（对流换热系数和辐射换热系数）　时，采用“试算法”来计算。所谓“试算法”就是首先根　据经验假设铝翼管各表面的初始温度，然后根据现有　的关联式计算出各表面的换热系数，再利用式（５）间　接计算出铝翼管各表面的平均温度，把此平均值与各　自的初始温度作相差运算，取其绝对值，且此绝对值　是否在一定的范围之内，如果不在此范围内，则把计　算新的温度值来覆盖以前的初始值，此值就变成现在　的初始值，再通过系列公式计算出新的一组铝翼管各　表面的温度平均值，取此值与先前的初始值差值的绝　对值，如果在一定的范围内，就退出循环，如果不在范　围之内，再重复以上的操作，直至两者差值的绝对值　在一定的范围之内。　２　铜铝复合柱翼型散热器的实验测试　２．１测试试件简介　本实验所用的散热器铝翼管外形如图１所示，其　规格型号分别为：７５ｘ６０、８０ｘ６０、５０ｘ８０、２４×１００、２５×　９０，铝翼管的几何外形尺寸主要有：铝翼管闭式空腔　两侧的肋片高度（ｈ）、铝翼管外表面长度（ｈ　）、闭式空　腔的肋基长度（　）、翅间表面的肋基长度（Ｌ７）、闭式空　腔的面积（　）以及闭式空腔的当量直径（　），为了理论　计算的方便，现将各个数据列于表１中。表１中规格型　号列中为散热器铝翼管的长度和宽度。　表１铝翼管闭式空腔的几何尺寸（散热器的　中心距为６００ｉｎｍ）　规格　号　（ｍｍ）　（ｍｍ）Ｌ　（ｍｍ）Ｌ：（ｍｍ）　Ｓ（ｎｕｎ　）ｄ（ｍｍ）　Ａ　７５×６０　３０　６　７６　９　２３　６　１２　３　１０３６　８　２５　６　Ａ犁８０×６０　３２　３　８２　２　２５　６　１０．３　Ｉｌ３８．６　２６　４　Ｂ　５０×８０　３２　７　５７　６　２３　８　９　３　１０４８　２８　６　Ｃ型２４×ｌｏ０　３０　４９　３４　５４　２０　４　１４　６９７　７　２４Ｉ　Ｃ　２５×９０　２６　８　３６Ｉ　２Ｉ　２　９．３　６４５　７　２３　３　２．２实验测试数据　实验方法按照《采暖散热器热量的测定方法》口】　（ＧＢ／Ｔ１３７５４．９２）的规定对散热器进行测试，在实验中　对散热器进行两种方法进行测试，一是对散热器进行　常规散热量测试（即不对散热器采取任何处理），二是　对散热器的闭式空腔采取绝热处理（即其所有闭式空　腔充填导热系数为０．０２７　Ｗ／（ｍ・℃）聚苯泡沫）。本文对　多种此类散热器的闭式空腔分别作对流（对流换热和　辐射换热）和绝热两种情况进行数值仿真模拟，结果　表明，闭式空腔绝热情况下，铝翼管表面平均温度比在　对流情况下高２～３℃，再以Ａ型７５ｘ６０铜铝复合散　热器为例，绝热情况下单柱散热器散热量只比对流情　况下散热量（铝翼管外表面和其翅间表面）高４．１３　ｗ，　占仿真计算得到的散热器单柱散热量的３．２％，故在实　验中闭式空腔的散热量测定，是通过测试一组散热器　标准散热量减去该组用聚苯泡沫充填闭式空腔散热器　的标准散热量是可行的。实验所测散热器数据和理论　计算数据（铝翼管的导热系数１０　ｗ／（ｍ・℃））见表２。　表２散热器在标准工况下散热量理论与实验值比较　表３铝翼管外表面标准散热量　２．３其他规格铜铝复合柱翼型散热器闭式空腔的数据　以上实验数据中心距均为６００　Ｉ／ＩｌＴＩ的铜铝复合柱　翼型散热器，但在实际中常会用到其他中心距的散热　器，现将中心距分别为３００　ｉｎｍ、７００　ｉｎｍ散热器利用　理论计算，其计算结果如下表４所示。并根据此表的闭　式空腔的散热量、表ｌ中封闭当量直径和表２中闭式　空腔的散热量数值，利用Ｅｘｃｅｌ拟合出如３所示图形。　表４各种散热器散热量和其闭式空腔散热量　３　结论　１）散热量理论值与实验值的偏差均在６％以内，　说明其理论解在计算此类散热器的散热量具有很高　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２６卷第６期　余才锐等：带闭式空腔的铜铝复合柱翼型散热器研究及优化　’６５’　热量，建议在闭式空腔内部的肋基部分加上肋片，这样　／　—　可增加其内部的换热面积，增加整体的散热量，又可以　／，　，÷————　——～　中心距７００　／　／　中　距６００　增加散热器的强度。　／／　３）Ａ型８０ｘ６０散热器铝翼管外表面面积占其总　中心距３００　面积的２３．１５％，散热量占总散热量的３６．４％，散热器　闭式空腔的面积占总面积４８．５５％，其散热量占总散热　量２９．４％；Ｃ型２４ｘ　１００散热器的铝翼管外表面面积占　图３不同中心距的散热器闭式空腔散热量与　其总面积的１４．０５％，散热量则占总散热量的３３．４９％，　当量直径的关系图　散热器闭式空腔的面积占总面积４７．１５％，其散热量占　总散热量２８．４９％，故在当量直径一定的条件下，适当　可信度，从而为此类散热器的优化和生产设计提供了　提高散热器铝翼管外表面面积，是提高散热器整体散　理论依据。　热量有效方法之一，因其外表面直接暴露于外界，对流　２）当闭式空腔肋基的长度在２０￣２６　ｉＹｉｌｎ之间，散　加辐射同时作用，且外界的远处气体温度较低。　热器闭式空腔内的散热量并不是随着当量直径的增　大而增大，而是散热量有极大值，这个极大值大约在　参考文献　当量直径为２６￣２６．５　ｍｍ之间，因此在设计闭式空腔　［１］　章熙民，任泽霈，梅飞鸣．传热学［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版　时，空腔的当量直径尽量控制在２５．５～２６．５　ｍｍ之间，　社，１９９３　一是因为当量直径超过此范围时散热量就有下降的　［２］　同济大学数学教研室．高等数学（第三版）［Ｍ］．北京：高等教育　趋势，二是因为当量直径过大时，此时的铝翼管的强　出版社，１９９５　度不够，很容易发生变形。为了进一步提高空腔的散　［３］　中华人民共和国国家技术监督局．采暖散热器散热量测定方　法（ＧＢ／Ｔ　１３７５４—９２）［Ｓ］．１９９３　－＋－＋－＋”＋＊＋－＋－＋－＋－＋ｎ＋ｎ＋・・＋－＋－＋－＋＊＋”＋＊＋－＋一＋一＋一＋－＋－＋一＋一＋－＋－＋－＋一＋－＋－＋一＋一＋一＋－—。　一—‘　（上接６１页）　同理因其热惰性大，晚上也可提前关闭。高标准节能　参考文献　居住建筑使用夜间停止供暖节能有限，不宜采用。若　［１］　马克西莫夫，奥尔洛夫．供暖与通风［Ｍ］．北京：高等教育出版　每个房间使用温控阀个别调节室温，既节能又提高舒　社．１９５６　适度，被欧洲许多国家采用。　［２］　Ｂ　Ｗ　Ｏｌｅｓｅｎ．ＴｅｏｐＨｕ　Ｈ　ｎｐａＫＴＨＫａ　ＨａＨＯ／ＩｂＨＯＦＯ／ＩｙｑＨＣＴＯｒＯ　另外，对于地面供冷系统的调节，还必须考虑房　ＯＴＯＩＩ／ＩｅＨＨ￣Ｉ［Ｊ］．ＡＢＯＫ，２００３，（１）：４０—４５　［３］　Ｂ　Ｗ　Ｏｌｅｓｅｎ．地板辐射采暖的理论与实践［Ｊ］．地板采暖月刊，　间的露点温度　】。　２００５，（９）：１　１—１２　［４］　贺平，孙刚．供热工程［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，１９９３　３　结语　［５］　采暖通风与空气调节设计规范（ＧＢ５００１９—２００３）［Ｓ］　［６］　中等热环境ＰＭＶ和ＰＰＤ指数的测定及热舒适条件的规定　（ＧＢ／Ｔ１８０４９—２０００）［Ｓ］　地板采暖与多数对流放热型供暖系统相比，能以　热环境人类工效学一一用ＰＭＶ和ＰＰＤ指数对热舒适度的分　较低的室内空气温度得到相同的实效温度，其通风耗　析测定与解释及局部热舒适度准￣Ｊ（ｉｓｏ　７７３０—２００５）［Ｓ］　热量明显减少，但围护结构传热耗热量大致相同。地　地面辐射供暖技术规程（ＪＧＪ１４２—２００４）［Ｓ］　板采暖（冷）最好用冷凝式锅炉、热泵、太阳能集热器、　ＡＳＨＡＲＥ．ＡＳＨＡＲＥ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ［Ｍ］．Ａｔｌｎａｔａ：ＡＳＨＡＲＥ，１　９９９　土壤蓄热（冷）器等利用太阳能、地热水、废水等低品位　欧洲地板采暖设计标准（ＣＥＮ（１９９４）ＥＮ１２６４）［Ｓ］　热能，这可使节能效果更加明显。　Ｂ　Ｈ巴格斯罗夫斯基．建筑热物理学［Ｍ］．北京：中国建筑工　室内从人体、照明、太阳辐射得热量发生变化时　业出版社，１９８８　宫燕玲．供暖工程［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００５　会引起室温波动，尤其是保温隔热好的建筑更敏感，　人类居住的热环境条件（ＡＮＳＩ／ＡＳＨＲＡＥ５５—１９９２）［Ｓ］　必须有效地调节地板采暖（冷）供热（冷）量。地板采暖　Ｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌ　ａｎｄ　Ｐｕｂｌｉｃ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ：Ｍｉｃｒｏｃｌｉｍａｔｅ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｆｏｒ　（冷）热惰性大，要靠其固有的自动调节能力结合系统　Ｉｎｄｏｏｒ　Ｅｎｃｌｏｓｕｒｅｓ（ＧＯＳＴ　３０４９４—１９９６）［Ｓ］　的集中调节和房间温控阀个别调节使室温基本稳定。　Ｂ　Ｗ　Ｏｌｅｓｅｎ．Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｌｆｏｏｒ　ｈｅａｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｒ］．　Ｃｌｉｍａ一２０００．２００１