椭圆型散热器的结构优化

椭圆型散热器的结构优化

金龙

江苏新泰隆管件有限公司江苏盐城224700

摘要：随着散热器的种类和形式不断推陈出新。越来越多的物美价廉并且耐用的钢制散热器出现。椭圆管散热器是其中一种类型。文中将通过对3种不同管径尺寸、单排垂直放置的椭圆管型散热器进行模拟计算和实验研究。最后得出某一管径尺寸散热器的散热效果最佳。

关键词：椭圆管型散热器；管径；金属热强度

一、问题描述

本文模拟了管径分别为50mmx25mm、60mmx30mm、70mmx30mm、壁厚为1.5mm、单排垂直安装的钢制椭圆管散热装置，散热装置的连接方式为同侧上进下出。在某一定值(例如温度、速度或者进口部位流体质流量)的情况下。通过控制流体部位出El温度来控制水的流量。使得进出水温度达到标准工况，通过公式(1)求得散热量；

测试内容是通过改变热媒温差对散热器进出口的平均温度为50土5℃,65士5℃,80土59℃个工况点进行测试，再将实验数据通过线性代数原理整理成下列表达式的形式：

通过代人T4.5℃得到不同管径散热器的金属热强度，最后再进行比较，最大值即代表散热器的热工性能最佳。

金属热强度（3）

金属热强度是指散热器内热媒平均温度与室内空气温度差1℃时，每千克质量散热器单位时间所散热出的热量，散热器金属热强度的高低既可反映散热器散热量的大小，也可以反映工艺、产品材质、构造、外观设计及金属耗量的合理性。它是散热器经济性的指标。

二、模型建立及模拟计算

根据试件的尺寸建立物理模型，试件1的结构尺寸如表1。对试件1模型进行网格划分，采用四面体网络对整个三维计算域划分，共计18867个单元体、45436个单元面和65511个节点。

(1)不考虑温度等参数随时间变化，模拟稳态工况，选用CFX中的三维稳态计算模型及非藕合的隐式算法，采用k-e湍流模型。开启CFX软件中的能量方程。空气热流系数一般为常数，一般取值范围为5W/㎡•k~25W/㎡•k。

(2)材料属性设置:①流体的材料为液态水，流体设置为不可压缩，其密度p=997kg/m³，导热系数=0.6W/(m•k)，比热CP=4182J/(kg•K),粘度系数v=0.001003kg/m•s;②散热器材料为钢，其密度为7833kg/m³，导热系数为λ=54W/(m•k),比热CP=465J/(kg•K)，壁厚为1.5mm。流体及流道的其他材料特性均为常量，流道壁面光滑且壁面无滑移(零速度)。

(3)保持运行压力为1个标准大气压，环境温度为18℃。在Y轴负方向设置重力加速度，大小为9.81m/s2。进口边界的条件设置:质量流量5.5x10-3kg/s,温度为94.85℃;出口则设置0Pa，壁的传热系数可以根据水的热流系数、壁的厚度及其导热系数、空气的热流系数可以求得大概值，传热系数估算为9.03W/(㎡"K)，壁厚为1.5mm，自由流温度为18℃。

模拟计算得到的结果如表2所示

表1试件1的结构尺寸

表2模拟计算结果

表3种不同管径的模拟计算结果

三、实验数据处理及分析

本实验对3种不同管径50mmx25mm,60mmx30mm,70mmx30mm(以下就用试件1、试件2、试件3代替)、中心距为600mm的散热器进行了实验，所有的实验数据都是符合国家标准GB/f13754-2008的热工性能实验室中测试取得的，通过公式(1)得到散热量，用公式((2),(3)得到金属热强度。依据GB/T13754-2008检测方法3个试件均符合金属热强度≥0.8W/（kg•C）的要求。

散热装置工作时，水的流速一般都不大，流到每根椭圆管内时水的流速更小，当散热器对环境散热时温度梯度总是相伴随的，流体内部总有密度梯度，故自然对流总是存在。经过大量的实验计算可得，影响换热主要有散热装置材料导热性能，椭圆管外表面自然对流换热，椭圆装置内表面对流换热这几方面的影响。但是通过理论模拟和实验测得可知，管径为60mmx30mm椭圆管内壁面自然和外壁面自然对流促进整体换热的效果要比管径为5Ommx25mm,70mmx30mm的椭圆管好，这样就会使在相同的进、出水温度的情况下，管径为60mmx30mm椭圆管外表面温度要比其他2种管径椭圆管的外表面平均温度高。

结束语

目前散热器种类多样，大多以圆管为主，而椭圆管型散热器散热方面有着自己特有的优势，但是不同管径尺寸的椭圆管型散热器散热效果不同，上文中将通过对3种不同管径尺寸、单排垂直放置的椭圆管型散热器进行研究。以供参考。

参考文献：

[1]GB50207-2012屋面工程质量验收规范[s]。中国建筑工业出版社，2012

[2]GB50345-2012屋面工程技术规范[S]。中国建筑工业出版社，2012。