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双铜管铜铝复合柱翼型散热器的结构优化

双铜管铜铝复合柱翼型散热器的

结构优化

青岛理工大学许冬梅

聊城大学王侃

海军北海工程设计研究院霍尚龙青岛理工大学张双喜李美芹刘翠娜

摘要给出了双铜管铜铝复合柱翼型散热器散热量及金属热强度计算公式,试验验证了理论计算的可靠性。通过对不同管径、不同外形尺寸散热器的理论计算,以金属热强度为优化指标,得到了该散热器最优的结构尺寸。

关键词双铜管铜铝复合柱翼型散热器金属热强度散热性能结构优化

Structure optimization of double -tube coppe-r aluminum

column -wing type radiators

B y X u Dongmei ,Wan g K an,H uo Sh an glon g ,Zhang S huangxi,L i M eiqin an d L iu Cuina

Abstract Pr ov ides the calculation fo rm ulas f o r c alcula ting the hea t r ele ase and meta l therm al

intensity of this type ra diato r,a nd ver ifie s the r eliability o f the theor etical ca lculatio n.T aking met al therm al intensity a s an optimiza tio n inde x,w ith theo r etica l calculations fo r diffe rent so r ts of tube diamete r and o ve ra ll dimensions,obta ins the o ptim alizing dimension o f the radiato r.

Keywords do uble -tube co pper -aluminum c olumn -w ing type r adiat or ,me tal therm al intensity,heat dissipa tio n perf or ma nce ,str uct ure optimiza tio n

Qingda o Technological University,Qingdao,S handong Provi nce,China

0 引言

铜铝复合柱翼型散热器是我国自主研发的一种能够适应我国水质的散热器。它以铜管作为容水部件,具有抗腐蚀、承压大的特点,解决了钢制、铝制散热器易腐蚀的问题;以铝翼管作为散热部件,发挥了铝易成形、质量轻、散热性能好的优点,满足了散热设备安全可靠、轻薄美新的要求。

针对铜材价格上涨以及单铜管铜铝复合柱翼型散热器在使用中容易扭坏的特点,笔者提出了双铜管铜铝复合柱翼型散热器。经比较,此种结构的散热器的性价比相对单铜管铜铝复合柱翼型散热器高。本文以金属热强度为优化指标,对双铜管铜铝复合柱翼型散热器进行了结构优化,最后得出不同管径对应的最优外形结构尺寸。1 双铜管铜铝复合柱翼型散热器的结构及技术指标1.1 双铜管铜铝复合柱翼型散热器的结构

双铜管铜铝复合柱翼型散热器的结构如图1所示,本文只对具有图1所示结构的散热器进行优化。图中A 为单柱散热器的宽度,B 为单柱散热器的厚度。外形尺寸用A B 表示。

双铜管铜铝复合柱翼型散热器的经济技术指标

图1 双铜管铜铝复合柱翼型散热器结构示意

1.2.1 金属热强度q

金属热强度是一个衡量散热器经济性的指标,散热器传给房间的单位散热量所需金属耗量越少、成本越低,其经济性越好。金属热强度是指散热器内热媒平均温度与室内

134 设备开发暖通空调HV&AC 2010年第40卷第1期

许冬梅,女,1984年11月生,硕士研究生,硕士

266033 青岛市抚顺路11号青岛理工大学环境与市政工程

学院暖通实验室

(0)138********E -mail:dongm eixu2006@https://www.wendangku.net/doc/6a11207720.html, 收稿日期:20090807

温度之差为1 时,单位质量散热器单位时间内散发的热量,即

q=Q

64.5G

(1)式中 q为散热器的金属热强度,W/(kg );Q为散热器的散热量,W;G为散热器质量,kg;64.5为标准计算温差,即供回水温度为95 /70 、室温为18 时的计算温差, 。

q值越大,说明散发同样的热量所耗的金属量越少。该值大小可作为衡量同一材质散热器经济性的一个指标。

1.2.2 单位散热量的成本

对各种不同材质的散热器,其经济评价标准宜以散热器单位散热量的成本(元/W)来衡量。

2 双铜管铜铝复合柱翼型散热器的理论分析和试验验证2.1 理论分析

经分析,双铜管铜铝复合柱翼型散热器的散热量包括铝翼片散热量、两外表面的辐射散热量、空腔内因空气流动引起的散热量等。

2.1.1 铝翼片散热量的理论计算

铝翼片的散热机理可简化为肋片的散热机理,其散热可看作是具有负内热源的一维稳态导热。根据傅里叶定律和能量守恒定律建立数学模型,可得单个翼片的散热量q 计算公式[2]如下:

q =- S d T

d x x=0

T w

S C1(1-C2

)tanh C1 (2)

式中为肋片的导热系数,W/(m K);T w为肋片基部温度,K;H为肋片高度,m;S为肋片横截面积,m2;C1,C2为与 ,T w,S有关的量[2]。

2.1.2 两外表面的辐射散热量计算

由于双铜管铜铝复合柱翼型散热器的单柱散热器外表辐射面积与采暖房间面积的比值非常小,所以可以把散热

器与周围空间的辐射散热看作空腔与内包壁之间的辐射换热,两外表面的辐射散热量可利用下式[1]直接计算:

= 1A1(E b1-E b2)(3)式中为两外表面的辐射散热量,W; 1为辐射系数;A1为

辐射面面积,m2;E b1,E b2分别为两辐射面的辐射力,W/m2。

2.1.3 空腔内因空气流动引起的散热量的计算

由图1可以看出,该散热器铝翼管的内腔在水平面上形成封闭形状,可以形成烟囱效应。闭式空腔内部被加热的空气在抽吸力的作用下将热量传到室内,实现供热。按文献[3]中的方法计算闭式空腔内的散热量:

Q= tA(4)式中为空腔内气体的表面传热系数,W/(m2 ); t 为空腔壁面平均温度与空腔内空气温度之差, ;A为空腔

壁面面积,m2。

2.2 计算结果

按上述计算原理,对铜管外径分别为12,13和14mm,铝翼片为四对的双铜管铜铝复合柱翼型散热器进行了散热量、金属热强度(只考虑铝翼管的质量)计算,结果如表1~ 3所示。

2.3 结果分析

表1 铜管外径为12m m时的计算结果

外形结构(A B)/mm

70 9070 9570 10075 9075 9575 10080 9080 9580 100散热量/W185.30187.86190.62197.50200.01202.85209.14211.50214.28金属热强度/(W/(kg )) 3.46 3.46 3.45 3.46 3.45 3.45 3.45 3.44 3.43

表2 铜管外径为13m m时的计算结果

外形结构(A B)/mm

70 9070 9570 10075 9075 9575 10080 9080 9580 100散热量/W223.3226.5229.9237.2240.1243.7252.0254.0256.8金属热强度/(W/(kg )) 4.14 4.14 4.15 4.15 4.14 4.14 4.14 4.13 4.13

表3 铜管外径为14m m时的计算结果

外形结构(A B)/mm

70 9070 9570 10075 9075 9575 10080 9080 9580 100散热量/W230.0235.0239.0246.6250.7252.2260.8265.2266.9金属热强度/(W/(kg )) 4.30 4.31 4.31 4.32 4.32 4.28 4.31 4.31 4.27

由表1~3可以看出:

1)随着外形尺寸的增大,不同管径散热器相应的散热量也增大,符合实际情况。

2)对于某一特定尺寸,如外形尺寸75mm 90mm的散热器,直径为14mm时的散热量比直径为13mm时的散热量大3.8%,而直径为13mm时的比直径为12mm时的大16.7%,可见,随着直径的变小,散热量下降幅度增大,这是散热器铜管管径不能太小的原因。

3)每种管径的双铜管铜铝复合柱翼型散热器的金属热强度随外形尺寸的变化先是增大然后减小,存在最大值。

由以上分析得出散热器的最优外形尺寸为75mm 90 mm。

2.4 试验验证

2.4.1 试验方法

根据GB/T13754 2008 采暖散热器热量测定方法的规定进行试验测试。

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暖通空调HV&AC 2010年第40卷第1期设备开发

2.4.2 试验验证

为验证双铜管铜铝复合柱翼型散热器理论计算方法的正确性,选取中心距为600mm 的双铜管铜铝复合柱翼型散热器作为研究对象,通过试验测试结果与理论计算结果的比较,验证理论计算的可靠性。散热器结构尺寸如图2所示,铝翼管外形尺寸分别为70mm 95mm 和80mm 100mm,铜管外径为14mm,圆管高560mm,铝翼管高525mm

。

图2 双铜管铜铝复合柱翼型散热器结构尺寸

对图2所示两种结构的双铜管铜铝复合柱翼型散热器进行理论结果和试验结果的对比,得到如表4的结果。

表4 双铜管铜铝复合柱翼型散热器理论与

实际散热量的对比

1号样品

2号样品理论计算值/W 204.8266.9实际测量值/W 188244散热量相差百分比/%

8.2

8.6

由表4可以看出,两个样品的理论散热量和实际散热量相差均不超过10%,可见本文给出的理论方程是可靠的。3 双铜管铜铝复合柱翼型散热器的优势分析3.1 经济分析

对比双铜管铜铝复合柱翼型散热器的最优结构(直径为14mm,外形尺寸为75mm 90mm)和单铜管铜铝复合柱翼型散热器的最优结构(直径为22mm,外形尺寸为75mm 75mm )的经济性得到的结果见表5。

表5 单铜管铜铝复合柱翼型散热器和双铜管

铜铝复合柱翼型散热器的经济性对比

双铜管铜铝复合柱翼型

散热器

单铜管铜铝复合柱翼型

散热器

联箱立柱铜管铝翼管

联箱立柱铜管铝翼管用铜量/g 122252885.8122182643价格/元

4.88

10.117.72

4.88

7.2812.86

总价格/(元/柱)32.725.02散热量/W 244152成本/(元/W)

0.134

0.165

表5中铜材价格按4万元/t 、铝材价格按2万元/t 计。由表5可以看出,双铜管铜铝复合柱翼型散热器成本比单铜管铜铝复合柱翼型散热器下降18.5%,其经济性较好,值得推广。3.2 供水温度分析

为了分析单、双铜管铜铝复合柱翼型散热器在不同供

回水温度下的散热量变化特点,对它们在不同供回水温度下的散热量进行了测试,结果见表6。

表6 单、双铜管铜铝复合柱翼型散热器

在不同供回水温度下的散热量

供回水温度/

95/70

80/6070/6060/50双铜管、外形尺寸为80mm 100mm 的单柱散热器的散热量/W

243

188

166

124

双铜管散热器散热量与标准工况下的比值/%100

7768.351.2单铜管、直径为22mm 、外形尺寸为75mm 75mm 的单柱散热器的散热量/W

149.7

113

单铜管散热器散热量与标准工况下的比值/%

100

75.5

48.1

根据计算结果可知,双铜管散热器随供水温度的降低,散热量占标准工况散热量的百分比由77%降至68.3%再到51.2%;单铜管散热器随供水温度的降低,散热量百分比由75.5%降至66%再到48.1%。由此知道,供水温度降低时,双铜管铜铝复合柱翼型散热器散热性能比单铜管铜铝复合柱翼型散热器的散热性能变化小。可见,双铜管铜

铝复合柱翼型散热器在低温供暖时有优势,符合我国现在提倡的低温供暖政策。4 结论

散热器的散热量不仅与铜管直径有关,还与铝翼片的高度、间距有关。铝翼片的散热量随翼片高度的增加,先迅速增大,随后增量逐渐变小,最后散热量趋近一定值。这反映了翼片高度增加到一定程度后,继续增加翼片高度,散热量增加很少,却会导致翼片效率降低。这是由于金属热强度随散热器外形尺寸的增大先增大后减小。本文通过计算分析得出的最优外形结构尺寸为75mm 90mm 。从经济角度比较了最优双铜管铜铝复合柱翼型散热器与最优单铜管铜铝复合柱翼型散热器,结果表明,双铜管铜铝复合柱翼型散热器成本比单铜管铜铝复合柱翼型散热器下降18.5%,证明了双铜管铜铝复合柱翼型散热器具有经济优势。此结果可以指导散热器的生产。本文还对不同供回水温度下的散热量做了试验测试,得出双铜管铜铝复合柱翼型散热器在低温供暖时,其散热性能相对单铜管铜铝复合柱翼型散热器的散热性能变化小,由此得出此种散热器在低温供暖中也占有优势。5 致谢

感谢国际铜业协会在本课题的研究中给予的积极有力的支持与帮助。参考文献:

[1] 章熙民,任泽霈.传热学[M ].4版.北京:中国建筑工业出版社,2005

[2] 郭铁明.铜铝复合柱翼型散热器的优化[D].青岛:青岛理工大学,2005:1016

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化[D].青岛:青岛理工大学,2006:1222[4] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M ].北京:中国建筑工业出

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[5] 王补宣.工程传热传质学[M ].北京:科学出版社,1998[6] 萧曰嵘,牟灵泉,董重成.民用供暖散热器[M ].北京:清华大

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