鋼制板式散熱器熱工性能測試分析

丁海濤 劉彥佐 劉建鵬

北京建筑材料檢驗(yàn)研究院有限公司

0 引言

鋼制采暖散熱器具有節(jié)能節(jié)材、美觀實(shí)用、輕型高效、易實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)等特點(diǎn)，已逐漸成為我國采暖散熱器的主要發(fā)展方向[1]。鋼制板式散熱器以其外形簡約超薄、節(jié)約室內(nèi)空間、表面光滑有質(zhì)感、易于清潔、水容量小、節(jié)能性好、富有裝飾性等特點(diǎn)[2]，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)和歐美采暖市場[3]。

散熱量是衡量散熱器的散熱性能的重要指標(biāo)，本文主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 13754-2008《采暖散熱器散熱量測定方法》[4]和 GB/T 13754-2017《供暖散熱器散熱量測定方法》[5]，對鋼制板式散熱器散熱量進(jìn)行測定，并且分析不同進(jìn)，出口溫度，工況之間散熱量的差異性及板式散熱器表面溫度分布情況。

1 散熱量檢測原理及程序

1.1 檢測原理

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 13754-2008《采暖散熱器散熱量測定方法》，基于穩(wěn)態(tài)傳熱原理，鋼制板式散熱器的進(jìn)口水溫為 88.75 ℃，出口水溫為 76.25℃，空氣基準(zhǔn)點(diǎn)溫度為18 ℃。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 13754-2017《供暖散熱器散熱量測定方法》，基于穩(wěn)態(tài)傳熱原理，鋼制板式散熱器的進(jìn)口水溫為68.75 ℃，出口水溫為 56.25 ℃，空氣基準(zhǔn)點(diǎn)溫度為18 ℃。

兩種國家標(biāo)準(zhǔn)不僅要滿足進(jìn)、出口水溫條件，而且還應(yīng)滿足鋼制板式散熱器在測試時，放置于密閉小室中，大氣壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，測量通過散熱器的水的流量，利用焓值表分別查出進(jìn)、出口水溫所對應(yīng)的焓值，用進(jìn)、出口焓差乘以相對應(yīng)水的流量，得出散熱器的散熱量，該工況稱為“ 標(biāo)準(zhǔn)工況”。

1.2 檢測裝置及程序

鋼制板式散熱器散熱量的檢測是使用水冷式采暖散熱器熱工性能試驗(yàn)臺進(jìn)行測試，該設(shè)備是由一個密閉小室，加熱系統(tǒng)，制冷系統(tǒng)和稱量系統(tǒng)組成。各系統(tǒng)提供熱工性能測試熱平衡條件，并進(jìn)行溫度測量及流量采樣，通過計算機(jī)軟件監(jiān)測穩(wěn)態(tài)條件，自動記錄測試數(shù)據(jù)，并進(jìn)行散熱量的計算。

密閉小室是水冷夾心板熱工小室尺寸為 4 m×4 m×3 m（長×寬 ×高 ），壁板間為水冷夾層板，小室空間及避免布置溫度傳感器，能夠保證實(shí)時監(jiān)控小室內(nèi)的溫度。

加熱系統(tǒng)是由水箱、加壓泵、穩(wěn)壓罐、加熱水箱、循環(huán)泵、冷卻器、電磁流量計、氣動分水器和電子天平，通過閥門和管路將各個組件連接起來形成了開式的系統(tǒng)。

制冷系統(tǒng)是在水冷卻儲存箱中，在循環(huán)泵的動力作用下，冷卻水通過分水器進(jìn)入水冷夾層中，通過熱交換原理來維持熱工小室的熱平衡，溫度升高的冷卻水經(jīng)過集水器回到制冷機(jī)組再次換熱到冷卻水箱，完成一次冷循環(huán)。

稱量系統(tǒng)是對流量的檢測主要由計算機(jī)、信號采集板、電磁閥驅(qū)動電路、電磁閥、電子天平等來完成，整個試驗(yàn)過程中對水流量進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

2 鋼制板式散熱器的數(shù)據(jù)測定

2.1 不同工況散熱量測定

依據(jù)GB/T 13754-2008 標(biāo)準(zhǔn)，將板式散熱器安裝于熱工性能測試小室中，并且設(shè)置好進(jìn)、出口溫度參數(shù)，系統(tǒng)排氣，進(jìn)行測試。當(dāng)進(jìn)口溫度參數(shù)為88.75 ℃，出口溫度參數(shù)為 76.25 ℃，空氣基準(zhǔn)點(diǎn)溫度參數(shù)為18 ℃，達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件時，得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 熱工性能測試參數(shù)（GB/T 13754-2008）

三個工況的散熱量通過利用最小二乘法進(jìn)行擬合 [6]，得出散熱量（Q）與過余溫度（ΔT）的關(guān)系式為：

繪制出散熱量與過余溫度的關(guān)系曲線如圖 1 所示，橫坐標(biāo)表示過余溫度，縱坐標(biāo)表示總散熱量。

圖1 散熱量與過余溫度關(guān)系曲線

當(dāng)過余溫度 ΔT=64.5K 時，該溫度為標(biāo)準(zhǔn)過于溫度，將 ΔT=64.5K 代入式（1），并由圖 1 對應(yīng)關(guān)系，得到標(biāo)準(zhǔn)工況下的散熱量Q=2383.4 W。

依據(jù)GB/T 13754-2017 標(biāo)準(zhǔn)，將鋼制板式散熱器安裝于熱工性能測試小室中，并且設(shè)置好進(jìn)、出口溫度參數(shù)，系統(tǒng)排氣，進(jìn)行測試。當(dāng)進(jìn)口溫度參數(shù)為68.75 ℃，出口溫度參數(shù)為56.25 ℃，空氣基準(zhǔn)點(diǎn)溫度參數(shù)為 18 ℃，達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件時，得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)具體如表2 所示。

表2 熱工性能測試參數(shù)（GB/T 13754-2017）

三個工況的散熱量通過利用最小二乘法進(jìn)行擬合，得出散熱量（Q）與過余溫度（ΔT）的關(guān)系式為：

繪制出散熱量與過余溫度的關(guān)系曲線如圖 2 所示，橫坐標(biāo)表示過余溫度，縱坐標(biāo)表示總散熱量。

圖2 散熱量與過余溫度關(guān)系曲線

當(dāng)過余溫度ΔT=44.5K時，代入式（2）中，得到標(biāo)準(zhǔn)工況下的散熱量Q=1472.4W。

2.2 鋼制板式散熱器散熱量熱成像測定

自然界一切溫度高于絕對零度的物體都會向外界發(fā)出紅外輻射，輻射的大小主要與物體的材料類型，物理與化學(xué)結(jié)構(gòu)特征，波長和溫度等因素有關(guān)[7]。

紅外熱像儀利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡接受被測目標(biāo)的紅外輻射能量，獲得紅外熱像圖，具有非接觸大面積檢測、響應(yīng)速度快、檢測精度高等優(yōu)點(diǎn)。目前紅外熱成像法在建筑工程領(lǐng)域應(yīng)用日趨廣泛[8-9]。

熱成像技術(shù)運(yùn)用在采暖散熱器的熱工性能測試中，能夠很直觀的顯示出散熱器表現(xiàn)的溫度分布情況，對散熱器散熱效果的研究及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和水道、水路分析、分布研究，有很重要的意義。

在鋼制板式散熱器散熱量測試過程中，當(dāng)鋼制板式散熱器進(jìn)口水溫為88.75 ℃，出口水溫為 76.25 ℃，空氣基準(zhǔn)點(diǎn)溫度為 18 ℃，達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件時，打開紅外熱成像儀，利用熱成像技術(shù)對鋼制板式散熱器整體及表面溫度梯度分布情況進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖3 所示。通過圖3 能夠清晰觀察出鋼制板式散熱器表面溫度分布的梯度性及其熱量的分布情況。

圖3 散熱器熱成像圖

分別沿著鋼制板式散熱器熱成像圖的橫向、斜對角及縱向方向，繪制出P1、P2、P3三條線如圖4 所示。依據(jù)圖4 繪制的三條曲線，分別對 P1、P2、P3所在表面溫度梯度線進(jìn)行分析，繪制出其所對應(yīng)的溫度分布曲線如圖5 所示。

圖4 散熱器表面溫度分布

圖5 散熱器表面溫度梯度分布曲線

當(dāng)鋼制板式散熱器進(jìn)口水溫為 68.75 ℃，出口水溫為 56.25 ℃，空氣基準(zhǔn)點(diǎn)溫度為 18 ℃，達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件時，打開紅外熱成像儀，利用熱成像技術(shù)對鋼制板式散熱器整體及表面溫度梯度分布情況進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖6 所示。通過圖6 能夠清晰地觀察出鋼制板式散熱器表面的溫度分布的梯度性及其熱量的分布情況。

圖6 散熱器熱成像圖

圖7 散熱器表面溫度分布

分別沿著鋼制板式散熱器熱成像圖的橫向，縱向及斜對角方向，繪制出P1、P2、P3三條線如圖7 所示。依據(jù)圖7 繪制的三條曲線，分別對 P1、P2、P3所在表面溫度梯度線進(jìn)行分析，繪制出其所對應(yīng)的溫度分布曲線如圖8 所示。

圖8 散熱器表面溫度梯度曲線

3 鋼制板式散熱器熱工性能分析

運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn) GB/T 13754-2008《采暖散熱器散熱量測定方法》和標(biāo)準(zhǔn) GB/T 13754-2017《供暖散熱器散熱量測定方法》中，對散熱器散熱量的測試方法，分別對同一組鋼制板式散熱器的熱工性能進(jìn)行了測試，現(xiàn)分析如下：

①當(dāng) ΔT=64.5K 時，由式（1）和圖 1 得到散熱量Q=2383.4 W；當(dāng) ΔT=44.5K 時，由式（2）和圖 2 得到散熱量Q=1472.4 W。當(dāng)散熱器測試進(jìn)、出口水溫參數(shù)分別降低20 ℃時，散熱量降低為原來的0.6 倍。

②通過圖 3和圖 6 的熱成像圖分析，當(dāng)鋼制板式散熱器進(jìn)口水溫由 88.75 ℃降低到 68.75 ℃，差值為20 ℃時，相對應(yīng)散熱器表面最高溫度由85.1 ℃降低到65.0 ℃，差值為 20.1 ℃，且進(jìn)口水溫與其整體表面最高溫度相差3 ℃。

③通過圖 5 和圖 8 的 P1、P2、P3點(diǎn)的曲線分析：鋼制板式散熱器的表面溫度梯度由上而下依次遞減，散熱器的上部和出口格柵處，表面溫度相對較高，分布均勻，其中部和底部表面溫度較低。且散熱器的整體溫度分布區(qū)域不會受到進(jìn)口溫度的影響。

4 結(jié)論

本文依據(jù) GB/T 13754-2008，GB/T 13754-2017 標(biāo)準(zhǔn)和熱成像相關(guān)技術(shù)，對鋼制板式散熱器的熱工性能進(jìn)行了分析研究。首先鋼制板式散熱器的散熱量隨著進(jìn)、出口溫度的降低成倍數(shù)降低。

其次，熱水進(jìn)入散熱器后，會以輻射和對流的方式將熱量迅速傳導(dǎo)出去，使得散熱器的進(jìn)口溫度與其整體表面最高溫度差值是一定的。

最后鋼制板式散熱器的表面溫度分布自上而下依次遞減，上下面形成溫差，加上其前后面板走水，中間焊接梯形肋片傳熱的特殊構(gòu)造，使得鋼制板式散熱器形成以對流為主，輻射為輔的傳熱方式，大大提高散熱器的傳熱效果。