溫室采暖管道不同表面處理方式對散熱量的影響

蘭立波， 王志冉， 周增產(chǎn),3， 李秀剛， 高 鑫， 曲維民

（1. 北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，北京 100094； 2. 北京市植物工廠工程技術(shù)研究中心，北京 100094；3. 北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所有限公司，北京 100096）

0 引言

近年來，設(shè)施溫室高速發(fā)展，高效的土地利用率和標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；纳a(chǎn)管理模式日益受農(nóng)業(yè)和非農(nóng)業(yè)投資者的青睞，國內(nèi)也掀起了一股現(xiàn)代智能溫室的熱潮[1]。連棟玻璃溫室的面積逐漸擴(kuò)大，隨之而來的是連棟玻璃溫室冬季采暖問題，熱量的充分利用、能源的有效節(jié)約是溫室采暖需解決的關(guān)鍵性問題[2-3]。北方的大型連棟玻璃溫室常采用管道加溫系統(tǒng)，在溫室的周墻立面、植株間、栽培區(qū)軌道都安裝管道加溫系統(tǒng)。管道加溫系統(tǒng)在增加室內(nèi)溫度的同時降低了相對濕度，對防治真菌、細(xì)菌等微生物病害具有顯著作用，同時加速了果實成熟[4-5]。其中，軌道加溫系統(tǒng)不僅作為軌道運(yùn)輸車、采摘車等農(nóng)事作業(yè)車的軌道，同時也是連棟玻璃溫室加溫的主要設(shè)備[6-7]。

在民用建筑中有多種形式的散熱器，但是連棟玻璃溫室的采暖負(fù)荷是民用建筑的3～5 倍，選擇民用散熱器的造價高，且占地面積大，也造成溫室內(nèi)部溫度分布的不均勻性[8-10]。北方溫室內(nèi)一般采用光管散熱器，是一種直接采用鋼管管道作為采暖管道的散熱器，既作為供回水管路，又作為散熱裝置，安裝在溫室的四周及栽培區(qū)地面軌道等地方，不會額外占用溫室內(nèi)部面積[11]。該散熱管道采用國標(biāo)圓形鋼管，材料來源豐富、造價低，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于溫室采暖設(shè)計中[12]。

研究表明，散熱器的散熱量受諸多條件的制約，如材料、表面處理狀況、幾何因素等。溫室光管散熱器的表面處理方式有多種，不同的表面處理方式散熱量可能有所不同，本文重點研究噴塑、噴涂、掛鍍3 種不同表面處理方式對采暖管道散熱量的影響。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)研究散熱器的散熱量，以恒溫小室為研究對象，按照傳熱學(xué)理論，散熱器與恒溫小室的傳熱是以空氣作為流體介質(zhì)的壁面與空氣的對流換熱，不同壁面之間及間接通過空氣介質(zhì)的輻射換熱，將熱量由有限空間高溫壁傳到它的低溫壁的復(fù)雜物理過程[13-15]。

1 溫室采暖管道簡介

隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展，單棟玻璃溫室的面積也從幾千平米增加到數(shù)十公頃，在長度方向上也達(dá)幾百米，溫室采暖系統(tǒng)在保證滿足室內(nèi)作物適宜生長的溫度條件下，更要兼顧溫度的均勻性分布，因此大型連棟玻璃溫室常采用光管散熱器，在溫室的四周立面、株間和地面布置不同規(guī)格的圓形鋼管散熱器。

溫室采暖管道使用的圓形鋼管在溫室建設(shè)過程中需要進(jìn)行表面處理，一般常見的方式有噴塑、噴涂、掛鍍，選用的工藝不同，處理的效果和造價也不相同，在散熱效果和金屬熱強(qiáng)度方面也會造成差異。

2 測試目的

溫室管道散熱器是溫室采暖的重要方式，但是這種散熱器散熱效果怎樣還不確定，另外采用不同的表面處理方式對散熱效果產(chǎn)生的影響也是未知的，研究不同表面處理方式對散熱管道散熱效果的影響，對溫室節(jié)本增效生產(chǎn)具有關(guān)鍵作用，選擇何種處理方式，對建設(shè)溫室、保證取暖效果具有重要意義。

3 測試方法

3.1 試驗材料

試驗材料為溫室內(nèi)安裝的管道散熱器，其直徑60 mm，長度3 000 mm。選用常見的噴塑（白色）、噴涂、掛鍍3 種表面處理方式。

3.2 測試依據(jù)

測試依據(jù)為GB/T 13 754?2017《供暖散熱器散熱量測定方法》[16]。在過余溫度分別為30.0±2.5、44.5±1.0和60.0±2.5 K 這3 個工況基礎(chǔ)上進(jìn)行測試。

3.3 測試時間與地點（測試機(jī)構(gòu)）

本試驗測試于2021 年5 月16 日委托第三方檢測機(jī)構(gòu)，檢測地點為北京市朝陽區(qū)北三環(huán)東路30 號國家空調(diào)設(shè)備質(zhì)量檢驗監(jiān)督中心。

3.4 儀器

檢驗使用的儀器為CN01 型電子天平、CN03 型臺秤、CN05-1 型工業(yè)鉑熱電阻、CN05-2 型工業(yè)鉑熱電阻、CN05-3 型工業(yè)鉑熱電阻、CN24 型鋼卷尺、CN82 型標(biāo)準(zhǔn)流量積算儀。

3.5 測試指標(biāo)

檢測項目為散熱量、金屬熱強(qiáng)度。

管道散熱器按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13 754?2017 進(jìn)行測試，在封閉的小區(qū)內(nèi)和規(guī)定的條件下測得散熱量，單位是瓦（W）。測試條件：熱媒為熱水，進(jìn)水溫度是T1，出水溫度T2，平均水溫是T均=（T1+T2）/2 ，室溫是T0=18 ℃，計算溫差△T=T均?T0[17]。

金屬熱強(qiáng)度指的是每千克金屬溫度每升高1 ℃所散發(fā)的熱量，金屬熱強(qiáng)度越大，釋放同樣熱量所消耗金屬量越小，這是一個衡量暖氣節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)，如鋁散熱器的金屬熱強(qiáng)度，一般可達(dá)2.2 W/（kg·K）以上，鑄鐵散熱器一般為0.3～0.4 W/（kg·K），鋼制管柱式散熱器一般為0.6 W/（kg·K）。

4 試驗結(jié)果

溫室管道散熱器的表面處理方式有噴塑、噴涂、掛鍍等，不同的表面處理方式對散熱器的散熱量和金屬熱強(qiáng)度影響不同。本試驗測試了3 種不同表面處理方式對采暖管道散熱量和金屬熱強(qiáng)度的影響。

4.1 噴塑散熱管

噴塑是指在圓形鋼管的表面噴涂不含溶劑的100%固體粉末涂料的處理工藝，涂料一般是特制樹脂、顏填料、固化劑和其他助劑按照一定的比例混合而成，在通過熱擠塑和粉碎過篩等工藝制備而成，在常溫下貯存穩(wěn)定，經(jīng)靜電噴涂，再加熱烘烤熔融固化，形成平整光亮的永久性涂膜，達(dá)到美化防腐的功能[18]。根據(jù)測試結(jié)果（表1）擬合，噴塑散熱管道散熱量與過余溫度的關(guān)系式為Q=2.335 4（?T）1.2596W，當(dāng)?T=44.5 K 時，散熱量Q=278.4 W；金屬熱強(qiáng)度為0.58W/（kg·K）。

表1 噴塑散熱管道測試結(jié)果Tab. 1 Test results of spray cooling pipe

4.2 噴漆散熱管

噴漆是通過噴槍或霧化器等將油漆霧化，分散成均勻的顆粒涂覆于鋼管表面的加工方式[19]。根據(jù)測試結(jié)果（表2）擬合，噴漆散熱管道散熱量與過余溫度的關(guān)系式為Q=2.207 4（?T）1.2784W，當(dāng)?T=44.5 K 時，散熱量Q=282.6 W；金屬熱強(qiáng)度為0.57 W/（kg·K）。

表2 噴漆散熱管道測試結(jié)果Tab. 2 Test results of spray paint heat dissipation pipe

4.3 掛鍍散熱管

掛鍍是使用掛具吊掛工件所進(jìn)行的電鍍方式。根據(jù)測試結(jié)果（表3）擬合，掛鍍散熱管道散熱量與過余溫度的關(guān)系式為Q=1.605 4（?T）1.2562W，當(dāng)?T=44.5 K 時，散熱量Q=188.9 W；金屬熱強(qiáng)度為0.57 W/（kg·K）。

表3 掛鍍散熱管道測試結(jié)果Tab. 3 Test results of hanging plating heat dissipation pipe

5 結(jié)論

熱傳遞有3 種基本傳熱方式，分別為熱傳導(dǎo)、熱對流與熱輻射。相同材料的不同表面處理方式，會造成表面輻射率不同，導(dǎo)致其散熱能力也不相同[20]。

在相同的工況條件下，管道散熱器散熱量大小為掛鍍<噴塑<噴漆，金屬熱強(qiáng)度大小為掛鍍=噴漆<噴塑。3種測試結(jié)果相比而言，噴塑和噴漆的表面處理方式管道散熱器的散熱量相對較大，掛鍍的散熱效果相對較差；噴塑處理管道散熱器的金屬熱強(qiáng)度最大。

從工藝角度分析，由于玻璃溫室內(nèi)使用的散熱器暴露在高光照、高濕度的環(huán)境條件下，極易被腐蝕。目前噴漆的表面方式，散熱器的生銹率較高，且施工時受環(huán)保要求的限制，一般較少采用。相比而言，熱鍍鋅的表面處理方式更具有耐腐蝕性、耐熱性和抗表面滲透性等優(yōu)點，使用鍍鋅方式可使鋼管防腐年限高達(dá)25 年以上，從施工方面考慮較為經(jīng)濟(jì)，但散熱量較低。噴塑既能達(dá)到較強(qiáng)防腐的功能，同時散熱量較高，更加美觀整潔，因此在溫室管道供暖系統(tǒng)中，表面噴塑的散熱管道在溫室建設(shè)中具有更好的適用性。