利用傳熱學(xué)在肋片散熱的改良

1、利用傳熱學(xué)在肋片散熱的改良摘要：本文首先從傳熱學(xué)的基本概念出發(fā)， 傳熱學(xué)的普適性不僅表現(xiàn)為在能源動(dòng)力、石油、冶金、化工、交通、建筑建材、機(jī)械、食品、 輕工、紡織、醫(yī)藥等傳統(tǒng)工業(yè)部門(mén)中，而且傳熱學(xué)的理論和技術(shù)在生產(chǎn)、科學(xué)研究等領(lǐng)域也 得到了廣泛的應(yīng)用。 傳熱學(xué)理論的應(yīng)用解決了決定這些部門(mén)生產(chǎn)過(guò)程的熱工藝技術(shù)， 對(duì)一些 關(guān)鍵技術(shù)的解決起了重要的甚至是決定性的作用。暖氣片專用管行業(yè)發(fā)展很快，但是市場(chǎng)存在的一些問(wèn)題不容忽視，如市場(chǎng)無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)、產(chǎn)品質(zhì)量下降、創(chuàng)新乏力等。于是如何選擇暖氣片的肋片，成為了暖氣片專用管行業(yè)的核心問(wèn)題。在這里，我們具體研究材料的選擇對(duì)于肋片散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)的影響。通過(guò)對(duì)金屬與非金屬材

2、料的肋片的研究，對(duì)材料導(dǎo)熱率及材料價(jià)錢(qián)等方面的綜合考慮，我們認(rèn)為，現(xiàn)用的鋁合金型散熱器相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較好的一種散熱器，使用范圍也很廣泛。在全球經(jīng)濟(jì)不景氣、國(guó)際市場(chǎng)持續(xù)低迷的情況下，我國(guó)暖氣片專用管行業(yè)仍然呈現(xiàn)出了企穩(wěn)回升、發(fā)展逐漸向好的良好局面。雖然暖氣片專用管行業(yè)發(fā)展很快，但是市場(chǎng)存在的一些問(wèn)題不容忽視，如市場(chǎng)無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)、產(chǎn)品質(zhì)量下降、創(chuàng)新乏力等。于是如何選擇暖氣片的肋片，成為了暖氣片專用管行業(yè)的核心問(wèn)題。 根據(jù)傅里葉定律-A(dt/dx)可知，在溫差一定的條件下，增大傳熱量就是增大導(dǎo)熱系數(shù)，而在影響導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素中，肋片的材料，密度及形狀起著很大的作用。優(yōu)化肋片散熱主要是從這三方

3、面著手，尋求增大肋片散熱量的最佳途徑。在這里，我們具體研究材料的選擇對(duì)于肋片散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)的影響。 一、金屬材料 常用散熱器材料中銅、鋁、鋁合金、鎂、鋼等，其導(dǎo)熱性能依次遞減。但是到目前為止.最常用的散熱器材料是鋁。與其他一些高熱導(dǎo)率的材料相比，鋁比較便宜，而且比較容易加工。 以LS- 6- 4 型為例, 已知室溫為18, 散熱器平均壁溫80, 供水溫度95, 回水溫度70,管內(nèi)水流速0.2 m/s,管內(nèi)徑16 mm,管外徑19.2 mm,中心距600 mm

4、, 鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)為= 170 W/(m k).管內(nèi)水以對(duì)流換熱方式將熱量傳給管內(nèi)壁,內(nèi)壁以導(dǎo)熱方式傳給外壁. 外壁一方面以導(dǎo)熱傳給主肋片及支肋片表面; 另一方面以對(duì)流換熱方式傳給肋片間對(duì)流通道中的空氣, 空氣與散熱器表面發(fā)生對(duì)流換熱, 同時(shí)和空隙上方的環(huán)境空氣直接自然對(duì)流換熱. 根據(jù)理論上的分析計(jì)算，可得K= 8.54 ( W/K)。  圖1  散熱量Q與計(jì)算溫差T的關(guān)系    而運(yùn)用實(shí)驗(yàn)的方

5、法，對(duì)重7 kg 的LS- 6- 4 型鋁合金散熱器異側(cè)連接, 采用上進(jìn)下出方式, 實(shí)驗(yàn)壓力為1.2Mpa. 散熱器的熱量與計(jì)算溫差關(guān)系為:       Q= 5.032 (T ) 1.272 ( W) T = 64.5    Q = 1008.08 (W) q= 2.

6、23 W/ K= 8.46 (W/K ) 散熱量Q 與計(jì)算溫差T 的關(guān)系如圖1 所示。Q1 為實(shí)際熱量,Q2 為理論熱量. 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析數(shù)據(jù)可知，在一定的誤差范圍內(nèi)，理論值K 與實(shí)驗(yàn)值 K可以認(rèn)為基本相等，不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)可根據(jù)理論的方法直接計(jì)算得出。各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)見(jiàn)下表。 表一： 材料名稱 導(dǎo)熱系數(shù)W/(m k) 材料名稱 導(dǎo)熱系數(shù)W/(m k) 材料名稱 

7、;導(dǎo)熱系數(shù)W/(m k) Si 150 黃銅 70   石棉 0.150.37 SiO2 7.6 青銅 32   玄武巖 2.18 SC 490 純硅膠 0.35 花崗巖 2.63.6 GaAs 46 中密度硅膠 0.17 石蠟 0.12 GaP 77 低密度硅膠 0.

8、12 石油 0.14 LTCC 2 玻璃 0.51.0 瀝青 0.7 AIN 150 玻璃鋼 0.40 紙板 0.060.14 Kovar 17.3 泡沫 0.045 鑄鐵 4290 鉆石 2300 環(huán)氧樹(shù)脂 0.22.2 不銹鋼 17 金 317 空氣 0.010.04 鑄鋁 

9、138147 銀 429 水蒸氣 0.023 PA 0.25 純鋁 237 水 0.50.7 PC 0.2 純銅 401 木材(縱向) 0.38 PP 0.210.26 純鋅 112 木材（橫向） 0.140.17 PS 0.08 純鈦 14.63 普通粘土磚 0.70.8 軟質(zhì)PVC 0.14&#

10、160;純鉛 35 耐火磚 1.06 硬質(zhì)PVC 0.17 純鎳 90 水泥沙 0.91.28 橡膠 0.190.26 鋼 3654 瓷磚 1.99 純錫 64 在對(duì)鋁與其他金屬材料采用實(shí)驗(yàn)研究后，綜合了一些現(xiàn)實(shí)因素，最終得出這樣的結(jié)論：鋁合金重量輕, 是鑄鐵散熱器的1/ 10, 鋼制散熱器的1/ 4  1/ 3; 承壓能力是鑄鐵散熱器的

11、1.25倍, 與鋼制的相同; 金屬熱強(qiáng)度是鑄鐵的7 倍,鋼制的2.4 倍; 價(jià)格約是鑄鐵散熱器的1.5 倍,約是傳統(tǒng)鋼制散熱器的1.3 倍, 與新型鋼制散熱器相比, 價(jià)格接近或更低一些. 二、其他非金屬材料 對(duì)于增強(qiáng)肋片散熱來(lái)說(shuō)，是不是選擇導(dǎo)熱系數(shù)越大的材料越好呢？答案是否定的。 首先要考慮的就是造價(jià)問(wèn)題。 從表1可知，銅的熱導(dǎo)率是鋁的兩倍。然而在相同體積的情況，銅散熱器的造價(jià)大約是鋁的四到六倍，其重量也是鋁散熱器的三倍。因此，盡管銅的散熱性能好，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中也很少采

12、用銅作為散熱器肋片的材料。 其次，熱導(dǎo)率大的材料是否適合作為散熱器的肋片使用，還取決于材料本身的性質(zhì)。 在表1中，我們看到鉆石的熱導(dǎo)率達(dá)到2300，將近是鋁的10倍。于是有人就想到用與鉆石成分相似的金剛石代替鉆石，作為一種新型的肋片材料。 據(jù)研究。金剛石的導(dǎo)熱率是銅的五倍。而各種類(lèi)型的金剛石, 如É a、É b、Ê a、Ê b 型等, 不同類(lèi)型的金剛石的導(dǎo)熱率是不一樣的, 就是同一類(lèi)金剛石的導(dǎo)熱率也不完全相同。金剛石的導(dǎo)熱率與其內(nèi)部 結(jié)

13、構(gòu)的完整性有關(guān), 與雜質(zhì)的種類(lèi)和含量有關(guān)。在不同的溫度條件下, 同一類(lèi)金剛石的導(dǎo)熱率也不一樣,這可以從表2 看出. 一些研究者在試用CVD 法生產(chǎn)的金剛石膜, 一平方厘米的金剛石膜要10 美元, 再加上昂貴的加工費(fèi), 這種散熱片的造價(jià)顯得過(guò)于昂貴。因此, 他們又在試用靜壓法生產(chǎn)的單晶金剛石為原料制造的多晶金剛石燒結(jié)體。他們認(rèn)為, 靜壓法生產(chǎn)的單晶金剛石的價(jià)格低廉, 一克拉單晶金剛石只值幾美分，這似乎解決了價(jià)格方面的問(wèn)題，然而，在導(dǎo)熱性能方面，為題就變得很棘手了。 靜

14、壓法生產(chǎn)的金剛石是É b 型, 屬É 型金剛石。這類(lèi)金剛石的質(zhì)量并不好, 更不要說(shuō)幾美分一克拉的金剛石。因?yàn)椴还苁菄?guó)內(nèi)還是國(guó)外所采用的生產(chǎn)金剛石的工藝技術(shù)并不先進(jìn), 生產(chǎn)的金剛石晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有很多缺陷, 金屬包裹物很多, 而導(dǎo)熱性能對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷很敏感, 因此, 這類(lèi)金剛石的導(dǎo)熱性不可能很好。用這類(lèi)金剛石制造的多晶金剛石燒結(jié)體, 其導(dǎo)熱性能 又由于燒結(jié)過(guò)程中的原因而下降, 結(jié)果可能是, 多晶金剛石燒結(jié)體的導(dǎo)熱性比銅的導(dǎo)熱性好不了多少。這樣

15、的結(jié)果，似乎不能讓人滿意。 此外，用靜壓法制造的多晶金剛石燒結(jié)體也有一個(gè)造價(jià)問(wèn)題, 多晶金剛石燒結(jié)體的造價(jià)不僅僅與單晶金剛石原料的價(jià)格有關(guān), 還與燒結(jié)過(guò)程以及后加工等的成本有關(guān)。如果造價(jià)降不下來(lái), 也不可能得到廣泛的應(yīng)用。因此,用目前生產(chǎn)的É b 型單晶金剛石為原料制造的多晶金剛石燒結(jié)體作為散熱材料應(yīng)用可能有許多問(wèn)題需要研究。 那么, 金剛石的優(yōu)異導(dǎo)熱性能是否能得到應(yīng)用呢? 問(wèn)題在于是否采用正確的技術(shù)路線。 首先需要解決單晶金剛石原料的質(zhì)量問(wèn)題, 單晶金剛石原料要有良好的導(dǎo)熱

16、性能。 其次要采用先進(jìn)的燒結(jié)工藝, 在燒結(jié)過(guò)程中不使多晶金剛石燒結(jié)體的導(dǎo)熱性下降太多。多晶金剛石燒結(jié)體內(nèi)部的晶界雜質(zhì)、氣孔、其它缺陷以及添加劑造成的導(dǎo)熱性能的下降應(yīng)盡量小,因?yàn)檫@些都是熱量傳播的障礙。 最后, 還要設(shè)法將造價(jià)降下來(lái)。 盡管有著這樣那樣的問(wèn)題，但是如果采用質(zhì)量不高的單晶金剛石原料制造的多晶金剛石燒結(jié)體的散熱性能比目前所采用的散熱手段要好, 而且成本也不高, 這也值得一試, 只不過(guò)效果可能不是很理想, 這要通過(guò)實(shí)踐來(lái)證明。 三、立足現(xiàn)實(shí)，當(dāng)今生活中使用的散熱器主要有以下幾種：

17、0;(一)老式散熱片 1、鑄鐵散熱器； 2、鋼串片散熱器。 這兩種主要運(yùn)用在北方的大型城市供暖中。 (二)新型散熱氣 1、鋼制管式，就是鋼管型，有圓管、扁管等 2、鋼制板式，主要是從歐洲進(jìn)口的，散熱效果好，對(duì)生產(chǎn)工藝要求比較高，投入較大，但不適合集中供暖，因?yàn)槔锩娌蛔鰞?nèi)防腐 3、鋁合金型，價(jià)格便宜，壽命較短； 4、銅鋁復(fù)合，現(xiàn)在還有鋼鋁復(fù)合、不銹鋼鋁復(fù)合 5、鑄鋁； 6、鋼制內(nèi)搪瓷，以內(nèi)搪瓷為防腐，壽命較長(zhǎng)。 四、結(jié)論 通過(guò)對(duì)材料導(dǎo)熱率及材料價(jià)錢(qián)等方面的綜合考慮，我們認(rèn)為，現(xiàn)

18、用的鋁合金型散熱器相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較好的一種散熱器，使用范圍也很廣泛。但是，創(chuàng)新永無(wú)止境，鋁合金材料有著易腐蝕等方面的缺陷，將來(lái)也必將被其他更好的材料所取代，如本文中提到的金剛石等非金屬材料，就是一個(gè)可能。將來(lái)，材料對(duì)加強(qiáng)散熱器散熱所起的作用必將越來(lái)越重要，散熱器的發(fā)展也將充滿前景。  The Optimal Design of Cooling Fin Zhao Fangyuan,Zhouqian,Guoning,Li Xiaoning,Bai Jianfei  Abs

19、tract:The industry of special radiator pipe develops rapidly,but there are still some problems that can not be ignored in the market,such as disorderly market competition, low

20、er-quality product, innovation and fatigue. So how to choose the radiator fin become a core issue in the industry of special radiator pipe.In this paper ,we mainly study the impact of the choice of materials on designed for