鋁制板翅式油散熱器傳熱與阻力性能試驗研究

李建華楊洪海*吳亞紅張衛(wèi)鋒丁振芳

1東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2無錫方盛換熱器股份有限公司

0 引言

鋁制板翅式散熱器具有傳熱效率高、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)溫度范圍廣等特點，在石油化工、工程機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域得到越來越多的廣泛應(yīng)用。其中，翅片是板翅式散熱器最基本也是最核心的元件，作為二次傳熱表面，增加了單位體積的傳熱面積，強(qiáng)化了傳熱效果，使散熱器體積大大縮小，節(jié)約設(shè)備材料，降低制造成本[1]。常見的翅片類型有平直，波紋，鋸齒，多孔，百葉窗及釘狀等。相對于平直型翅片，其他幾種翅片可以增加流體流動的雷諾數(shù)，提高換熱效率，但同時也增加了流動阻力[2-3]。在翅片通道中，常用的流動換熱介質(zhì)有水，空氣和油等。其中，以空氣和油為冷熱介質(zhì)的散熱器普遍應(yīng)用于各式各樣的工程機(jī)械中，如：挖掘機(jī)、裝載機(jī)、推土機(jī)、起重機(jī)等。

對于油散熱器，現(xiàn)有的文獻(xiàn)研究較多集中于仿真計算，對鋸齒型、波紋型等板翅式油散熱器進(jìn)行內(nèi)部流場，傳熱性能及其影響因素的研究[4-9]。結(jié)果表明，對于鋸齒型與波紋型板翅式散熱器，其強(qiáng)化傳熱的主要機(jī)理是流動邊界層周期性地發(fā)展與破壞。設(shè)計合適的翅片形狀及結(jié)構(gòu)，選取了合理的流動速度，均有利于強(qiáng)化換熱。

王迎新[10]等采用風(fēng)洞實驗方法，針對車用發(fā)動機(jī)機(jī)油冷卻器，選取了4個主要廠家生產(chǎn)的同一型號的8個鋸齒型板翅式冷卻器，進(jìn)行了傳熱和阻力特性的實驗研究。結(jié)果表明，由于生產(chǎn)工藝的不同,各廠家的機(jī)油冷卻器傳熱性能和阻力特性有較大的差異。由此可見，在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，有必要對特定的板翅式散熱器進(jìn)行傳熱與阻力性能的試驗研究，找出其更適合自身的經(jīng)驗關(guān)系式。

本文以空氣、油為冷熱介質(zhì)，利用風(fēng)洞試驗臺對某款鋁制板翅式油散熱器進(jìn)行傳熱與阻力性能的試驗研究，分析空氣流量對其性能的影響規(guī)律。

1 試驗裝置

1.1 試驗試件

本文所研究的散熱器外形為長方體，如圖1（a）所示。散熱器芯體的冷空氣側(cè)為波紋型翅片，如圖1（b）所示。油側(cè)為鋸齒型翅片，如圖1（c）所示。試驗試件的具體型號及翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1和表2。

圖1 試驗試件及翅片結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)由風(fēng)系統(tǒng)和油系統(tǒng)組成，如圖2所示。風(fēng)系統(tǒng)主要由空氣穩(wěn)流器，風(fēng)管，電子測風(fēng)儀，風(fēng)機(jī)及變頻器等組成，進(jìn)口空氣溫度控制在20±0.3℃。油系統(tǒng)主要由儲槽，熱源（加熱器），泵及渦輪流量計等組成。油側(cè)采用46號液壓油（比熱容Cpo=2.03 kJ/(kg·℃)，密度ρo=868.019 kg/m3)，試驗過程中，控制油側(cè)流量3.60±0.01 kg/s。

圖2 系統(tǒng)示意圖

1.3 測量系統(tǒng)

1）空氣、油進(jìn)出口溫度。測量油溫的溫度傳感器采用PT100鉑電阻，精度為B級，在板翅式散熱器芯體進(jìn)出口管道上測量，空氣的進(jìn)出口溫度采用PT100溫度變送器在進(jìn)出風(fēng)口測量。

2）空氣、油的流量。采用渦輪流量計測量油的體積流量，其精度為0.25%，空氣的流量采用電子測風(fēng)儀測量。

3）試件前后的壓差。在試件前后的風(fēng)道上開設(shè)靜壓孔，靜壓孔連接成環(huán)狀，油側(cè)前后的壓差采用壓差傳感器在芯體的進(jìn)出管道上測量，其精度為0.5%。

1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

由智能數(shù)據(jù)采集模塊完成傳感器測量信號的采集，并與計算機(jī)連接，完成數(shù)據(jù)的記錄和存儲。試驗數(shù)據(jù)是在試驗工況穩(wěn)定后進(jìn)行采集的，每次工況穩(wěn)定時間約為15 min。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 換熱量

1）空氣側(cè)換熱量：

2）油側(cè)換熱量：

3）平均換熱量：

式中：Qa為空氣側(cè)換熱量，kW；Cpa為空氣的比熱容，kJ/(kg·℃)；ma為空氣的質(zhì)量流量，kg/s；△Ta為空氣側(cè)進(jìn)出口溫差；Qo為油側(cè)換熱量，kW；Cpo為油的比熱容，kJ/(kg·℃)；mo為油的質(zhì)量流量，kg/s；△To為油側(cè)進(jìn)出口溫差。

2.2 傳熱系數(shù)

空氣側(cè)傳熱系數(shù)：

式中：Ka為空氣側(cè)傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A 為空氣側(cè)散熱面積，m2；△Tm為對數(shù)平均溫差，℃；Ta2為空氣側(cè)出口溫度，℃；Ta1為空氣側(cè)進(jìn)口溫度，℃；To2為油側(cè)出口溫度，℃；To1為油側(cè)進(jìn)口溫度，℃。

3 結(jié)果分析與討論

圖3給出了平均換熱量Q（kW）隨空氣流量V（m3/h）的變化曲線，可以直觀地看出，平均換熱量隨空氣流量的增大而增大。利用Origin軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可擬合得到如下經(jīng)驗關(guān)系式：

圖3 平均換熱量隨空氣流量的變化曲線

從圖4可以看出，隨著空氣流量增加，空氣側(cè)進(jìn)出口溫差減小，油側(cè)進(jìn)出口溫差增加。因為隨著空氣流速增加，單位質(zhì)量的空氣在散熱器內(nèi)停留時間縮短，影響其散熱效果。對于油側(cè)，試驗過程中流量保持不變，當(dāng)總換熱量增加時，油側(cè)的進(jìn)出口溫差增加。

圖4 空氣側(cè)和油側(cè)進(jìn)出口溫差隨空氣流量的變化曲線

圖5給出了空氣側(cè)傳熱系數(shù)（W/(m2·℃)）與通風(fēng)阻力（Pa）隨空氣流量（m3/h）的變化關(guān)系曲線，可以看出，空氣側(cè)傳熱系數(shù)一般在 33～52 W/(m2·℃)之間，略高于普通管殼式散熱器（30W/(m2·℃)左右[11]）。空氣側(cè)傳熱系數(shù)與通風(fēng)阻力都是隨著空氣流量的增大而增大，這是由于空氣流量的增加，空氣在翅片間擾動加強(qiáng)，對流換熱系數(shù)增大，從而傳熱系數(shù)增大。同時，空氣與翅片間的摩擦力增大，導(dǎo)致通風(fēng)阻力增大。

圖5 空氣側(cè)傳熱系數(shù)與通風(fēng)阻力隨空氣流量的變化曲線

分析比較關(guān)系式（7）,（8）及圖5中兩者的趨勢可以發(fā)現(xiàn)，隨著空氣流量的增加，通風(fēng)阻力的增加幅度遠(yuǎn)大于空氣側(cè)傳熱系數(shù)。因此，在實際使用時，綜合考慮初投資和運行費用，存在一個合適的空氣流量，使散熱器綜合性能最佳。

4 結(jié)論

本文對某鋁制板翅式油散熱器的傳熱及阻力特性進(jìn)行試驗研究，得到相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，并據(jù)此分析得到平均換熱量，空氣側(cè)傳熱系數(shù)，通風(fēng)阻力與空氣流量之間的經(jīng)驗關(guān)系式。研究表明，相比于普通管殼式散熱器，板翅式散熱器的傳熱系數(shù)有所提高。對于該板翅式油散熱器，在保持油側(cè)流量恒定的情況下，隨空氣流量的增加，平均換熱量，空氣側(cè)傳熱系數(shù)及通風(fēng)阻力都隨之增加，增幅分別是空氣流量的0.514、0.218和1.652次方。且通風(fēng)阻力的增加幅度遠(yuǎn)大于空氣側(cè)傳熱系數(shù)。在實際使用時，應(yīng)綜合初投資和運行費用情況，選取合適的空氣流量，使散熱器綜合性能最佳。