不同款式散熱器換熱性能試驗研究

王超

0 引言

采暖散熱器是將熱媒的熱量傳導到室內的一種末端設備，是我國北方居民日常生活中不可缺少的部分，近年來由于疫情的原因人們的外出時間急劇壓縮，室內活動占據了人們日常生活的絕大多數，供暖季散熱器換熱性能的好壞直接決定了室內的溫度以及舒適度，尤其在一些寒冷的地區，供暖的好壞直接影響人民生活的幸福指數。因此，如何選用一款好用的采暖散熱器成為人們關注的問題，散熱器質量的優劣，性能的好壞，外觀的華陋，直接關系到使用的安全性、經濟性和裝飾性，關注采暖散熱器，就是關注生活質量。目前，我國散熱器行業已初具規模，散熱器生產廠家主要分布在河北、天津、山東等地，工藝及制造也達到一定水平，中國散熱器網相關文章顯示，在國際經濟持續低迷、國內經濟引擎重啟的交錯影響下，我國散熱器企業必須取優去劣，抵御外部環境的沖擊。

采暖散熱器行業伴隨著中國市場經濟環境的變遷和發展，不斷成長，行業近階段發展的總體形勢企穩向好，逐步調整產品結構趨于合理，行業經濟持續穩定快速增長，散熱器企業的管理、營銷、技術水平得以進一步的發展和提升。

采暖散熱器承擔著將熱媒攜帶的熱量傳遞給房間內的空氣，以補償房間的熱耗，達到維持房間一定空氣溫度的目的。在日常生活中，主要熱媒往往是具有較高比熱容的水。為達到房間溫度，采暖散熱器必須具備能夠承受熱媒輸送系統的壓力、有良好的傳熱和散熱能力、具有必要的使用壽命等條件。本次選取了不同種類的散熱器進行了對比試驗，依據標準檢測散熱器的散熱量性能，使用紅外線熱像儀對散熱器表面溫度進行測量，收集不同散熱器表面的溫度場。同時，對比每種散熱器相鄰柱的溫度分布，分析其溫度均勻性的好壞，也對比了不同散熱器在不同場所的適用性，為人們日后對散熱器的選擇提供了可靠的參考。

1 實驗原理及裝置

依據標準GB/T 13754-2017《采暖散熱器散熱量測定方法》，將試驗所需要的散熱器安裝到標準要求的小室后進行設定，密閉小室的尺寸為4m×4m×3m，大氣壓力為標準大氣壓，小室空間內部與壁面中心按照標準安裝溫度傳感器，確保實時監測小室溫度變化，為達成動態熱平衡，小室外側壁板間設有水冷夾層板，控制小室基準點溫度保持為18℃。

設定散熱器的進口水溫為75℃，出口水溫為50℃，空氣基準點溫度為18℃，各點溫度的誤差范圍為±0.1℃。水冷式散熱器熱工性能檢測裝置由加熱、制冷、稱量三個系統組成。加熱系統是由加壓泵、穩壓罐、加熱水箱等組件連接起來構成的開式系統，本次試驗選取的熱媒為水，因為其具有較大的比熱容，通過將水進行兩次加熱，達到標準進口水溫。制冷系統的工作原理是冷卻水通過小室夾層，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過集水器回到制冷機組再次換熱，完成一次冷循環。稱量系統是對流量的測量，試驗過程通過對水流量的自動調節，采用稱重法測量達成平衡時的流量。穩態后計算得出來的散熱量就是該散熱器的標準散熱量。

2 散熱器試驗數據

2.1 散熱器規格型號

本次試驗選取了4 種不同種類散熱器進行對比，分別為鋼制柱式散熱器，鋼制衛浴散熱器，銅鋁復合散熱器，壓鑄鋁散熱器，所選散熱器的高度，中心距，柱數如表1 所示。

表1 選取散熱器樣品尺寸參數

2.2 散熱器散熱量測試

根據文獻[5]，將上述4 種不同規格散熱器安裝到上文提到的試驗臺進行散熱量測量，設置進口溫度為75℃，出口溫度為50℃，小室中心點空氣基準溫度為18℃，鋼制柱式散熱器在工況達到平衡時得到數據如表2 所示。三個工況的散熱量通過利用最小二乘法進行擬合，得出散熱量（Q）與過余溫度（△T）的關系式：

表2 熱工性能測試參數

根據公式繪制散熱量與過余溫度的關系曲線如圖1 所示，其中，橫坐標表示過余溫度，縱坐標表示總散熱量。散熱量會隨著過余溫度的升高而升高，且在過余溫度較高的區域散熱量增大的趨勢更為顯著。

圖1 散熱量與過余溫度的關系曲線

鋼制衛浴散熱器在工況達到平衡時得到數據如表3 所示。三個工況的散熱量通過利用最小二乘法進行擬合，得出散熱量（Q）與過余溫度（△T）的關系式：

表3 熱工性能測試參數

根據公式繪制出散熱量與過余溫度的關系曲線如圖2 所示，其中，橫坐標表示過余溫度，縱坐標表示總散熱量。散熱量會隨著過余溫度的升高而升高，在過余溫度較高的區域散熱量增大的趨勢更為顯著。

圖2 散熱量與過余溫度的關系曲線

壓鑄鋁散熱器在工況達到平衡時得到數據如表4 所示。三個工況的散熱量通過利用最小二乘法進行擬合，得出散熱量（Q）與過余溫度（△T）的關系式：

表4 熱工性能測試參數

根據公式繪制出散熱量與過余溫度的關系曲線如圖3 所示，其中，橫坐標表示過余溫度，縱坐標表示總散熱量。散熱量會隨著過余溫度的升高而升高，且在過余溫度較高的區域散熱量增大的趨勢更為顯著。

圖3 散熱量與過余溫度的關系曲線

銅鋁復合散熱器在工況達到平衡時得到數據如表5 所示。三個工況的散熱量通過利用最小二乘法進行擬合，得出散熱量（Q）與過余溫度（△T）的關系式：

表5 熱工性能測試參數

根據公式繪制出散熱量與過余溫度的關系曲線如圖4 所示，其中，橫坐標表示過余溫度，縱坐標表示總散熱量。散熱量會隨著過余溫度的升高而升高，且在過余溫度較高的區域散熱量增大的趨勢更為顯著。

圖4 散熱量與過余溫度的關系曲線

2.3 散熱器熱成像測試

紅外熱像儀具有非接觸大面積檢測、響應速度快、檢測精度高等優點，利用紅外熱像儀對散熱器表面溫度分布進行檢測，得到散熱器表面溫度場。圖5 是鋼制柱式散熱器的表面溫度分布情況，根據該表面溫度場分布，繪制鋼制柱式散熱器單柱散熱管的溫度變化曲線如圖6 所示。

圖5 鋼制柱式散熱器表面溫度分布

圖6 鋼制柱式散熱器單柱散熱管溫度變化曲線

通過分析得出由于兩柱散熱管道所處位置原因，兩條溫度曲線P1、P2 在頂端約有1℃的溫差，在底部溫差基本一致。鋼制柱式散熱器的溫度均勻度分布較好，相鄰兩柱散熱管道均由上到下溫度減小且趨勢相近，實際安裝后可以讓室內人體感到較好的溫度舒適度。

圖7 是鋼制衛浴散熱器的表面溫度分布情況，根據該表面溫度場分布，繪制鋼制衛浴散熱器相鄰單柱散熱管的溫度變化曲線如圖8 所示。

圖7 鋼制衛浴散熱器的表面溫度分布

圖8 單柱散熱管的溫度變化曲線

通過分析得出衛浴型散熱器溫度場分布沒有鋼制柱式散熱器分布均勻，在沿水流方向溫度下降過程中出現了2 次溫度增高，大約上升了0.5℃，P1、P2 溫度線進水口溫度相近，變化趨勢基本相同。

圖9 是銅鋁散熱器的表面溫度分布情況，根據該表面溫度場分布，繪制銅鋁散熱器單柱散熱管的溫度變化曲線如圖10所示。

圖9 銅鋁散熱器的表面溫度分布

圖10 單柱散熱管的溫度變化曲線

通過分析得出銅鋁復合散熱器溫度場分布在中間段比較均勻，在銅鋁散熱器的柱頂端存在外殼可以通過增大擾流加強對流換熱，因此外殼表面溫度略微低于柱體，P1、P2 溫度線進水口溫度相近，變化趨勢基本相同。

圖11 是壓鑄鋁散熱器的表面溫度分布情況，根據該表面溫度場分布，繪制壓鑄鋁散熱器單柱散熱管的溫度變化曲線如圖12 所示。

圖11 壓鑄鋁散熱器的表面溫度分布情況

圖12 單柱散熱管的溫度變化曲線

通過分析得出壓鑄鋁散熱器溫度場分布比較均勻，在壓鑄鋁散熱器的柱頂端存在翅片通過增大擾流加強對流換熱，從而增大散熱量，在頂部存在溫度下降較為明顯區域。P1、P2 溫度線進水口溫度相近，變化趨勢基本相同。

通過分析得出壓鑄鋁散熱器溫度場分布比較均勻，在壓鑄鋁散熱器的柱頂端存在翅片通過增大擾流加強對流換熱，從而增大散熱量，在頂部存在溫度下降較為明顯區域。P1、P2 溫度線進水口溫度相近，變化趨勢基本相同。

3 熱工性能分析

根據文獻[5]中的測試要求，對鋼制柱式散熱器，鋼制衛浴散熱器，銅鋁復合散熱器，壓鑄鋁散熱器進行了熱工性能的檢測，對其熱工性能分析如下：鋼制柱式散熱器在標準工況下散熱量為351.2W，單柱散熱量為87.8W；鋼制衛浴散熱器在標準工況下散熱量為264.2W，單柱散熱量為24.62W；壓鑄鋁散熱器在標準工況下散熱量為535.5W，單柱散熱量為107.1W；銅鋁復合散熱器在標準工況下散熱量為517.2W，單柱散熱量為86.2W。在所選的4 種不同款式散熱器樣品中壓鑄鋁單柱散熱量最大，鋼制柱式散熱器與銅鋁復合散熱器單柱散熱量接近，衛浴散熱器單柱散熱量較小。

4 結論

根據文獻[5]中的測試要求，對不同款式散熱器的散熱量進行了測量，觀察4 種不同款式散熱器溫度曲線分布，將不同的單柱散熱管道溫度分布進行對比，得出如下結論：

所選不同款式散熱器中，單柱散熱量壓鑄鋁最大，鋼制柱式與銅鋁復合散熱器接近，衛浴單柱散熱量較小。鋼制柱式散熱器的溫度分布最為均勻，壓鑄鋁頂端由于擾流效果較好，散熱性能優于其他部位，頂部溫度存在較快下降趨勢，其他部位下降較為均勻，銅鋁頂部由于頂部外罩存在，表面溫度略低于中部，其余部位溫度下降較為均勻，鋼制衛浴型散熱器溫度均勻性相比較差。在同樣的小室中鋼制柱式散熱器可以提供較好的供暖效果以及舒適的室內感受。