新型鋁合金電散熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王坤迪 史文學(xué) 張雙喜 陶冶 金龍

依據(jù)JGJ236-2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的新型鋁合金電散熱器是一種對(duì)流式電采暖散熱器，其鋁合金散熱片被一次擠壓成型后絲扣連接起來，由三部分組成：發(fā)熱元件、散熱元件、溫控元件。如圖1所示。鋁合金散熱片作為散熱部件，發(fā)揮了鋁型材易成形、質(zhì)量輕、一次成型、導(dǎo)熱快、易于機(jī)械化生產(chǎn)、散熱性能好的優(yōu)點(diǎn)。碳晶板作為發(fā)熱元件，其熱電轉(zhuǎn)化率高，一般98%以上。溫控系統(tǒng)，滿足智能控制要求。

圖1 新型鋁合金電散熱器示意圖

1 新型鋁合金電散熱器的結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化依據(jù)

1.1新型鋁合金電散熱器的結(jié)構(gòu)及其參數(shù)

圖2 新型鋁合金電散熱器散熱片的結(jié)構(gòu)示意圖

本文所要研究的新型鋁合金電散熱器的結(jié)構(gòu)型式如圖2所示。其中A表示單柱鋁合金散熱片的兩個(gè)肋片的間距，B表示單柱鋁合金散熱器片的肋高，在內(nèi)部嵌入碳晶板作為發(fā)熱元件。

新型鋁合金電散熱器有關(guān)參數(shù)的確定：

1.1.1 高度

目前市場(chǎng)用量最多（約60%的份額）的散熱器為中心距不大于600mm的型式。因此本文選擇中心距為525mm的新型鋁合金電散熱器作為研究對(duì)象。

1.1.2 寬度

寬度和肋高有關(guān)，大概等于兩個(gè)肋高，結(jié)構(gòu)為平齊型。選擇肋高30～50mm的鋁合金散熱片作為研究對(duì)象。

1.1.3 厚度

通過對(duì)大量散熱片的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，鋁合金散熱片肋片間距為15～20mm的散熱效果比較好。考慮到室內(nèi)房間的使用面積，厚度不宜超過100mm。因此，選擇間距為15～20mm散熱器作為研究對(duì)象。

1.1.4 鋁合金散熱片的肋片對(duì)數(shù)

根據(jù)鋁合金散熱片肋片間距為15～20mm的散熱效果比較好的原則，再根據(jù)所選散熱器厚度不超過100mm，本文選擇鋁合金散熱片對(duì)數(shù)為六對(duì)的新型鋁合金電散熱器作為研究對(duì)象。因?yàn)橹苯幼饔檬诫娚崞髯畲筝斎牍β瘦^大，一般2000W左右，單柱散熱片功率在200W左右，功率較大，不宜選取四對(duì)的作為研究對(duì)象，否則散熱片的表面溫度會(huì)過高。如果選取八對(duì)肋片的話勢(shì)必會(huì)大幅度增加耗材，所以本文以鋁合金散熱片對(duì)數(shù)為六對(duì)作為研究對(duì)象。

表1 直接作用式電采暖散熱器產(chǎn)品性能分級(jí)及要求

1.1.5 新型鋁合金電散熱器肋片厚度

同樣一種結(jié)構(gòu)的鋁合金散熱片厚度分別為0.8、0.9和1.0mm時(shí)，對(duì)散熱量的影響很小，散熱量相差只有1W/柱；同時(shí)考慮鋁型材加工廠生產(chǎn)成品率的要求，本文確定鋁合金散熱片厚度為1.0mm[2]。

1.1.6 輸入功率

直接作用式電散熱器輸入功率一般比較大，以本文研究的新型鋁合金電散熱器為例，其柱數(shù)為12柱，最大額定輸入功率為2400W，因電熱轉(zhuǎn)換效率高，一般98%以上，故認(rèn)為這種新型鋁合金電散熱器的熱工性能為其輸入功率。本文所作研究是在最大額定輸入功率基礎(chǔ)上進(jìn)行的，新型鋁合金電散熱器采用三級(jí)調(diào)節(jié)功率。

1.2新型鋁合金電散熱器的優(yōu)化依據(jù)

1.2.1 JGT236-2008標(biāo)準(zhǔn)中的要求

本文為了更大限度的保證老人和孩子的安全，以表1中直接作用式電采暖散熱器產(chǎn)品性能和要求的III級(jí)要求為依據(jù)，即外表面溫度小于70℃。

1.2.2 金屬熱強(qiáng)度的依據(jù)

金屬熱強(qiáng)度是衡量散熱器經(jīng)濟(jì)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，也是體現(xiàn)耗材多少的重要表現(xiàn)，指散熱器內(nèi)熱媒平均溫度與室內(nèi)空氣溫度相差為1℃時(shí)，每千克質(zhì)量的散熱器單位時(shí)間散出的熱量[3]。本文以標(biāo)準(zhǔn)過余溫差作為計(jì)算金屬熱強(qiáng)度的依據(jù)：

式中：

q—散熱器的金屬熱強(qiáng)度，w/kg·℃；

Q—散熱器的散熱量，w；

Δt—溫差，標(biāo)準(zhǔn)過余溫差為64.5℃；

G—散熱量為Q的散熱器的質(zhì)量，kg。

由于設(shè)定的電散熱器輸入功率是一個(gè)恒定值，所以本文中散熱量認(rèn)為是不變的，優(yōu)化的目標(biāo)也是最大輸入功率的情況下，滿足標(biāo)準(zhǔn)中外表面溫度要求下，找到耗材最少的鋁合金散熱片結(jié)構(gòu)尺寸。

2 新型鋁合金電散熱器的理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1理論分析

經(jīng)分析本文研究的新型鋁合金電散熱器的散熱主要包括三部分（且依據(jù)能量守恒定律和輸入功率相等）：一部分是各肋片和間距的導(dǎo)熱量；二部分是兩外表面的輻射散熱量；三部分是空腔內(nèi)空氣流動(dòng)的散熱量。

2.1.1 肋片散熱量的理論計(jì)算

肋片看作是具有負(fù)熱內(nèi)源的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。依據(jù)傅里葉定律和能量守恒定律建立數(shù)學(xué)模型，可得單個(gè)肋片的散熱量q'計(jì)算公式[4]如下:

式中：

λ—肋片的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·k)；

Tw—肋片的基部溫度，K；

H—肋片高度，m；

AL—肋片橫截面積，m2；

C1，C2—與λ，Tw，AL有關(guān)的量[4]。

2.1.2 兩外表面的輻射散熱量

散熱器的兩外表面與室內(nèi)空氣主要是通過輻射方式進(jìn)行換熱。因?yàn)樾滦弯X合金電散熱器的單柱散熱器外表輻射面積與采暖房間面積的比值非常小，所以可以把散熱器與周圍空間的輻射換熱看作是空腔與內(nèi)包壁之間的輻射換熱[5]?？衫孟铝泄街苯佑?jì)算：

式中：

ε0—散熱器表面的輻射系數(shù)；

A0—單柱散熱器的外表面面積，m2；

Eb1—散熱器表面的輻射力，w/m2；

Eb2—周圍空氣的輻射力，w/m2。

2.1.3 空腔內(nèi)空氣流動(dòng)的散熱量

由圖2可以看出，新型鋁合金電散熱器散熱片的內(nèi)腔在水平面上近似形成幾個(gè)近似封閉形狀，可以形成“煙囪效應(yīng)”。所謂“煙囪效應(yīng)”是指像煙囪一樣，由于外界冷空氣和空腔內(nèi)熱空氣的密度差而使空腔內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)動(dòng)力，冷空氣下降，熱空氣上升。所產(chǎn)生的循環(huán)動(dòng)力是鋁合金散熱片空腔與室內(nèi)空氣進(jìn)行對(duì)流換熱的主要?jiǎng)恿?。按文獻(xiàn)[6]中的方法計(jì)算空腔內(nèi)的散熱量：式中：

α—空腔內(nèi)氣體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；

A—空腔壁面面積，m2；

Δt—為空腔壁面平均溫度與空腔內(nèi)空氣溫度之差，℃。

2.2計(jì)算結(jié)果

經(jīng)分析計(jì)算，對(duì)間距A為15～20mm，肋高B為30～50mm的不同結(jié)構(gòu)尺寸的新型鋁合金電散熱器進(jìn)行外表面溫度、金屬熱強(qiáng)度（只考慮了鋁的質(zhì)量）計(jì)算，結(jié)果如下：

圖3 區(qū)間內(nèi)滿足要求外表面溫度要求的電散熱器金屬熱強(qiáng)度

圖4 滿足要求的電散熱器金屬熱強(qiáng)度的趨勢(shì)線

由圖3和圖4可知：在間距為15-20mm的區(qū)間中，滿足要求的電散熱器金屬熱強(qiáng)度與其結(jié)構(gòu)尺寸的三次方存在很強(qiáng)相關(guān)性。本文所研究的新型鋁合金電散熱器為對(duì)流型散熱器，其結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)散熱器空腔內(nèi)空氣的流速、狀態(tài)、采暖小室內(nèi)換熱次數(shù)及小室內(nèi)氣流分布都有影響。

考慮到室內(nèi)裝修和裝飾方面，在滿足JGT236-2008標(biāo)準(zhǔn)要求下選取A=15mm、B=39mm，A=16mm、B=38mm，A=17mm、B=38mm肋片間距較小的三個(gè)樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè) 試 ，A=18mm、B=38mm，A=19mm、B=38mm，A=20mm、B=37mm不予考慮，下面將會(huì)對(duì)這三個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸的樣品：A=15mm、B=39mm，A=16mm、B=38mm，A=17mm、B=38mm進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2.3試驗(yàn)分析驗(yàn)證

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)

2.3.1 試驗(yàn)方法

依據(jù)JGT236-2008標(biāo)準(zhǔn)中直接作用式電采暖散熱器采暖裝置及要求的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.3.1 啟動(dòng)和運(yùn)行：

調(diào)節(jié)變壓器，分別使三個(gè)電采暖散熱器在額定電壓90%和110%條件下穩(wěn)定運(yùn)行10min切斷電源，檢查電采暖各部件未發(fā)現(xiàn)異常。

2.3.3.2 升溫時(shí)間：

電采暖散熱器從通電啟動(dòng)運(yùn)行開始記時(shí)，初步達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)三個(gè)結(jié)構(gòu)的電散熱器分別用時(shí)：12分49秒、12分56秒、13分5秒。升溫時(shí)間即是新型鋁合金電散熱器達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間，影響因素有：材料的導(dǎo)熱系數(shù)，環(huán)境溫度，結(jié)構(gòu)尺寸等。該新型電散熱器采用鋁合金為散熱片，質(zhì)輕，導(dǎo)熱系數(shù)高，可相應(yīng)的縮短升溫時(shí)間，但測(cè)得的結(jié)果仍比JGT236-2008標(biāo)準(zhǔn)表中直接作用式電采暖散熱器產(chǎn)業(yè)性能和要求的III級(jí)要求略高，基本滿足要求。測(cè)試可知隨結(jié)構(gòu)尺寸的增大，升溫時(shí)間也相應(yīng)的增加。

2.3.3.3 熱工性能：

在最大輸入功率實(shí)驗(yàn)工況下達(dá)到穩(wěn)定30min后進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試電采暖散熱器的輸入功率（W），測(cè)試時(shí)間為30min，讀數(shù)見表2。

熱工性能主要由發(fā)熱元件所決定，該新型電散熱器主要采用碳晶材料作為發(fā)熱元件，可依據(jù)需要加工得到相應(yīng)功率的碳晶板。

2.3.3.4 外表面溫度：

外表面熱電偶布點(diǎn)示意圖如圖5。

外表面各點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)值如圖6所示。

圖5 外表面熱電偶布點(diǎn)示意圖

外表面最高溫度72.8℃，外表面平均溫度65.1℃。

外表面最高溫度69.8℃，外表面平均溫度64.1℃。

外表面最高溫度69.7℃，外表面平均溫度63.6℃。

2.3.3.5 溫度測(cè)量：

圖6 A=15mm、B=39mm電散熱器的外表面溫度變化

圖7 A=16mm、B=38mm電散熱器的外表面溫度變化

圖8 A=17mm、B=38mm電散熱器的外表面溫度變化

圖9 采暖小室環(huán)境溫度的變化

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試A=15mm、B=39mm，A=16mm、B=38mm，A=17mm、B=38mm 三個(gè)結(jié)構(gòu)的新型鋁合金電散熱器中，A=16mm、B=38mm，A=17mm、B=38mm 符合JGT236-2008標(biāo)準(zhǔn)中直接作用式電采暖散熱器產(chǎn)業(yè)性能和要求的III級(jí)要求，結(jié)合圖4中金屬熱強(qiáng)度大小，故選擇A=16mm、B=38mm作為最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。另由圖6到圖8看出在采集次數(shù)120次以后，新型鋁合金電散熱器兩側(cè)的表面溫度略有升高，分析是由于環(huán)境溫度升高引起的。小室環(huán)境溫度在兩個(gè)小時(shí)以后可達(dá)到29℃左右，比開始時(shí)的15℃增加了14℃左右。

3.結(jié)論

本文通過對(duì)新型鋁合金電散熱器的厚度、寬度、翼片的對(duì)數(shù)的確定，給出了本文所要優(yōu)化的散熱器的外形結(jié)構(gòu)形式。間距與肋高組合出不同外形尺寸的結(jié)構(gòu)，對(duì)這些結(jié)構(gòu)的散熱器進(jìn)行了理論計(jì)算，計(jì)算所取區(qū)間內(nèi)比較好的結(jié)構(gòu)尺寸分別為A=15mm、B=39mm，A=16mm、B=38mm，A=17mm、B=38mm，A=18mm、B=38mm，A=19mm、B=38mm，A=20mm、B=37mm。并對(duì)樣品為A=15mm、B=39mm，A=16mm、B=38mm，A=17mm、B=38mm的新型鋁合金電散熱器進(jìn)行試驗(yàn)分析驗(yàn)證，分析了新型鋁合金電散熱器的啟動(dòng)與運(yùn)行、升溫時(shí)間、熱工性能及其外表面溫度。并在金屬熱強(qiáng)度和JGT236-2008標(biāo)準(zhǔn)的要求下選擇A=16mm、B=38mm為最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。

本文僅僅研究了等間距和等肋高的新型鋁合金電散熱器，對(duì)于其他結(jié)構(gòu)形式的電散熱器未作深入研究。但是對(duì)于適當(dāng)增加外表面間距減少內(nèi)部間距也可取得效果，具體的未作深入研究，有待進(jìn)一步研究。

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)升溫時(shí)間和JGT236-2008標(biāo)準(zhǔn)中直接作用式電采暖散熱器產(chǎn)品性能和要求的III級(jí)要求略有不符，由于對(duì)時(shí)間因數(shù)建立模型太為復(fù)雜，影響因素太多，故在這一方面的研究有待加強(qiáng)。

[1]JGT236-2008《電采暖散熱器標(biāo)準(zhǔn)》

[2]陳建芳，張雙喜.散熱器肋片的數(shù)值計(jì)算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2004.2

[3]肖曰嶸，牟靈泉，董重成.民用供暖散熱器.清華大學(xué)出版社，1996

[4]徐冬梅.雙銅管復(fù)合柱翼型散熱器的優(yōu)化，青島理工大學(xué)，2010

[5]章熙民.傳熱學(xué).北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001

[6]余才銳.帶閉式空腔的銅鋁復(fù)合柱翼型散熱器理論研究及優(yōu)化.青島理工大學(xué)，2006