散热器技术管理

散热器技术管理（通用12篇）

散热器技术管理 篇1

固态照明解决方案的需求与日俱增使得对更好的热管理技术的要求也迅猛增长。除了标准的机械方案外,还有监测热行为的电气技术及为了稳定系统热量的调节控制。当高亮度LED的前向电流增加而封装尺寸减小,热逸散及灾难性故障的潜在也随之增加。在众多LED应用中,由于极端的高温环境,需要更高级别的保护。

热折返是减少LED故障及避免因为过热而导致LED寿命缩短的常用方法。这种控制方法使用一个与温度成反比的信号,在设置温度断点后降低LED的电流。该方法可以通过多种方式实现。以下介绍两个例子:一个100W路灯应用和一个12W的军用手电筒应用。这两个实例介绍了较为复杂的系统与较为简单的系统间的区别及各自的设计流程。

背景

在使用大功率LED的传统照明应用中,需要大的散热器来排出LED所释放的热量。LED自身不散热,相反,它们通过半导体结点来传导热量。此传导功率(PD)等于前向电压(VF)和前向电流(IF)的乘积。

为了保持一个安全的LED结点温度,必须消除这个传导功率。需要对系统中的热阻抗进行分析,才能在额定功率下定制一个散热器以确保期望的热特性。

一个典型的大功率LED将通过其器件、锡焊连接点、印刷电路板和散热器来消耗大部分功率。如图1所示。使用这个简单的模型,计算就相当简单。LED结点的功率耗散(PD),必须通过结点-环境的总热阻(θJA)分配,这一点与电流通过电气电阻时极其相像。

由此产生的结点温度(TJ)和环境温度(TA)之间的温度差(TJ-TA)等于一个电气电压(欧姆定律的热当量):

TJ-TA=PD×θJA

θJA指下列各值的总和。

θJS:结点至锡焊点热阻;

θSH:锡焊点至散热器热阻;

θHA:锡焊点至环境热阻。

θJS代表内部的LED热阻,而θSH代表印刷电路板(PCB)电介质和结点热阻。最后,θHA代表散热器热阻,θJS值为LED制造商数据表中指定值,并且是一个简单的LED封装函数。它可以在2～15℃/W的范围内变化。假如从锡焊点到散热器的连接良好(包括:多重热导通孔,适量的铜,良好的焊接和可能用到的导热胶),θSH则基本上可以忽略不计。这将产生一个小于2℃/W的极低θSH值。

θHA保持不变,因为它更多地取决于散热器表面积及其导热性能。在标准的FR4印刷电路板上(近似于LED的尺寸),没有外部散热器,仅有底部覆铜层,θHA值可能会非常大,超过100℃/W。通过图1所示的外部散热器,可降低热阻来保持理想的温度差(TJ-TA)。热设计需要根据下列θHA方程式,选择合适的散热器:

通过该方程可以很容易算出,如果功率增加或允许的温度差降低,那么必要的热阻将随之降低,而这相当于需要一个更大的散热器。

实际应用中,在系统使用寿命期内,由于存在前向电压及其他电子偏差,输出LED功率会增加5%～10%前向。可能的温度上升范围需根据最差情况下预计的TA值计算。此外,在制造商规定的规格中,通常会降低最大允许的TJ值,以确保LED使用寿命和效率不会降低。这些容差迫使我们提升最坏情况下的散热设计标准,要比标定时提高25%～50%。

LED驱动器

这些LED仅仅是具有LED驱动器主控机制的动态系统的组成之一。高亮度LED驱动器通常是通过开关转换器支持其工作。转换器对系统进行调节以提供一个近似于恒定的LED光通量输出。驱动器可适应不断变化的动态情况,提供连续调节,保证系统电气稳定性。在最常见的LED驱动器中,需要对输出电流进行调节,因为它与输出通量有着密切的关系并易于做出调整。

尽管电气稳定性是控制方案的根本,但热平衡是可控变量(LED电流)和不可控变量(环境)的函数。随着环境温度从25℃的室温增高时,LED的前向电压降低。因为电流被不断调整,因此功率降低,最终达到实现结点热平衡的目的。但最终环境温度的升高会导致结温超过LED的安全工作范围。此时,LED内的各种元件性能降低、恶化,最终导致热逸散和灾难性的LED故障。

每个LED制造商都提供了对应环境温度变化的最大前向电流的特性曲线。如图2所示的Cree XRE系列曲线,该曲线标明了推荐的LED过温安全工作范围(SOA)。这个快速的参考设计资料提供了多重θJA图形。因为在数据表规定了θJS,而在运行良好的系统中可以忽略θSH,因此θHA是一个可控变量。对于给定的θHA,维持LED驱动电流在限定范围内,可防止LED在非安全状态下运行时会出现的热逸散和/或大幅的寿命衰减。

从图2中不难看出大型散热器会扩大LED的适用范围。不过,在一些LED应用中,高昂的散热器成本及更大的散热器体积令人望而却步。对于此类应用,为了实现散热,需要良好的解决方案。

比起针对每个规格设计一个大容差范围的热管理方案,设计师更愿意采用通用方案。这令LED驱动器的应用成为可能。由于驱动器会调节电流及功率,因此仅需对非安全运行状态进行检测,并令驱动器可以做出相应反应即可。

热折返

考虑到制造商规定的前向电流额降,设计师现在能够依靠LED驱动器来提供有帮助的控制机构,从而对LED提供热保护。由于多数新的LED驱动器具有调光输入,因此几乎总有一个简单的方法来降低向LED的输出电流。鉴于此,可以设计一个电路来检测靠近LED的温度。如果系统有良好的热阻特点,那么LED的结点温度就能通过测量来内推。

因此,LED驱动器可以按照如图3所示的需求来维持或降低调节电流。该图可以改变,并且基本上与制造商的数据表规范相吻合,也可将其绘制的更保守一些。无论用什么方式,都要保护LED免受电流过剩与过热的损害。特别是,可以依据所需减少对散热器要求,因为最差条件导致的热逸散能被去除。

热折返可在许多方面应用。最常见和最简单的方法是使用一个NTC(负温度系数)热敏电阻测量LED附近的温度,如图4所示。NTC热敏电阻是一个随温度降低而增大,随温度增大而减小的电阻。如果电阻分压器设定值偏离基准电压,并且底部电阻器是一个热敏电阻,那么分电压将随温度增加而降低。假如将该电压钳制在低于基准电压的最大电压上,那么对于一些上升至最大温度断点(TBK)的温度范围来说,该电压就被固定为钳位电压。然而,对于高于TBK的温度而言,电压将下降,如图3所示。这个电压可以用来控制LED驱动器的模拟调光输入以实施基本热折返。

L E D调光时,折返图形会有不同。由于标称LED电流水平(ILED-NOM)被降低为调光电流水平(ILED-DIM),可对折返图加以修正以与新的温度断点(TBK-DIM)相适应。这扩大了LED使用的温度范围,如图3所示。可根据不同器件,分步或连续完成。

另外一个变体是额外的最小LED电流(ILED-MIN)钳制,用来防止LED电流为零,同见图3。有许多应用中,终端用户出于安全原因,不想要成套的热折返。而使用这个特性,最小需求电流钳制可以允许系统不受安全运行范围约束。然而,就这一点而言,用户情愿以缩短使用寿命为代价来换取短期功能。

路灯举例

一个标准的路灯暴露于苛刻的环境条件中,且在整个使用寿命期间,由于各种原因,机械散热器的性能可能会降低。这种性能的降低极大地增加了总热阻θJA,而且最终将导致更高的LED结点温度从而缩减使用寿命。为满足市政设施关于使用寿命的要求,在路灯中热折返几乎总是必要的。

图5所示为一个100W的路灯应用。前端交流-直流转换器获得一个120V交流电输入,然后将其转换为35V直流输入。第二阶段是一个LM3409恒流降压型LED驱动器,负载为6串并联,其中每串串联8只LED;每串驱动电流为700mA。

LM3409用简单的磁滞控制方法调节电流。在主开关(Q1)接通期间,电感器电流斜升至由IADJ引脚设置的峰值电流阈值。一旦达到该阈值,Q1关断并且电感器电流斜降,直到程控关断计时器停止。关断计时器的程控是通过来自输出电压的RC实施的。这使得计时器与输出电压成正比,结果导致电感器电流纹波和随后的原本恒定的LED电流纹波超越运行范围。

在IADJ上降低电压(从1.24V降至0V),平均LED电流的持续模拟调光能够很容易实施。假如IADJ的电压达到或高于1.24V,那么应调整LED的最大标称电流。当IADJ引脚电压降至1.24V时,电流开始调光,对执行热折返提供了一个极好的方法。

该应用中的热折返电路比以前描述的更加基本化,仅利用一个IADJ附加的NTC热敏电阻。NTC热敏电阻的阻值将高于250kΩ(IADJ大于1.24V),直到温度达到要求的断点。然后作为NTC的一个功能,电阻降低,同时分别降低了IADJ的电压和LED电流。

应该注意的是NTC从电阻到温度的转换功能是非线性的。这种非线性延长了出现真正零电流的边界点温度(TEND)。在路灯应用中,热折返的线性不属于最高等级。事实上路灯的寿命结束时间通常规定为其亮度降至初始亮度的70%时;因此,精确的热折返图对于路灯设计人员来讲根本没有意义。也就是说,如果需要的话,一个精密的温度传感器就能很容易地用于更为线性的热折返图绘制。

手电筒举例

图6所示为一个使用LM3424的较复杂的热折返器件。这个应用是一个由LM3424组成的15W调光军用手电筒,该LM3424控制6个串联LED,驱动电流为700mA,电池电压为9V。因为在调光时,串电压发生变化,从24V到低于9V,所以多重拓扑结构LM3424用作一个降压-升压控制器。需进行LED模拟调光以对其简洁性、大小和成本进行评估。

LM3424用传统的误差信号放大器调节闭合环路中的输出电流。在LED组件顶端对LED平均电流区别检测。主开关(Q1)的占空比动态上得以改变,以确保可随时进行调整。

LM3424具有一个集成在芯片上的完全可编程热折返电路。折返断点由电阻分压器按照TREF进行设置,内部基准电压3V(VS)。温度传感是使用传感器或NTC分压器在TSENSE的情况下实施的。当TSENSE电压降低至预定TREF电压时,电路开始根据图7所示对LED进行调光。热折返的斜率可由安装在TGAIN到GND之间的电阻(RGAIN)设定。假如使用一个精密的温度传感器,例如LM94022,可以获得一个高级的线性图。

可以加装基准电压VS外置齐纳管钳制装置以设定最小所需电流,如图3所示。在将给定温度值的特定LED的亮度输出最大化的同时,这个高度可控热折返也使手电筒使用寿命最大化。

手电筒应用中另一个有用的特征是调光与热折返的组合。由于二者都使用热折返电路,因此可以通过几种方式进行组合。NTC分压器直接连接至TSENSE,而调光分压器则与二极管连接。如图6所示。这种连接保证了TBK随调光等级而移动,所以使得任意调光等级的有效温度范围达到最大。

散热器对比

最后,在手电筒应用中将使用和不使用热折返做一个比对。在手电筒应用中,这些LED靠得非常近形成一个LED。假定,θSH和θJS小于θHA,计算可简单化为:

无热折返,输出功率要提高5%以随时调整偏离值。同时,温度差降低,占最差情况下环境温度的25%,还要考虑有益的SOA裕量。因此,θH A的值将比使用热折返的应用小70%。这就是说,散热器尺寸大小与成本要增加30%。在LED应用中,散热器为最大成本之一,在手电筒应用中使用热折返是非常有价值的。

结论

在一个给定的系统中,当机械散热要求减少时,热折返的使用可保护LED免受灾难性故障的损害。LED技术的优势在于使用寿命长,可靠性高和性能优于其他照明技术,而这些优势的实现需要热控制技术的支持,所以要确保这项技术得以顺利发展而不会受到意外情况的阻碍。

参考文献

[1]Patterson J.LM3409HV Evaluation Board[R/OL].(2009-6-11).http://221.115.156.18/design/analog/LED/LM3409-AN-1953.pdf

散热器技术管理 篇2

散热方式是指该散热器散发热量的主要方式。在热力学中，散热就是热量传递，而热量的传递方式主要有三种：热传导，热对流和热辐射。物质本身或当物质与物质接触时，能量的传递就被称为热传导，这是最普遍的一种热传递方式。比如，CPU散热片底座与CPU直接接触带走热量的方式就属于热传导。热对流指的是流动的流体(气体或液体)将热带走的热传递方式，在电脑机箱的散热系统中比较常见的是散热风扇带动气体流动的“强制热对流”散热方式。热辐射指的是依靠射线辐射传递热量，日常最常见的就是太阳辐射。这三种散热方式都不是孤立的，在日常的热量传递中，这三种散热方式都是同时发生，共同起作用的。

实际上，任何类型的散热器基本上都会同时使用以上三种热传递方式，只是侧重点不同罢了。比如普通的CPU风冷散热器，CPU散热片与CPU表面直接接触，CPU表面的热量通过热传导传递给CPU散热片;散热风扇产生气流通过热对流将CPU散热片表面的热量带走;而机箱内空气的流动也是通过热对流将 CPU 散热片周围空气的热量带走，直到机箱外;同时所有温度高的部分会对周围温度低的部分发生热辐射。

散热器的散热效率散热器材料的热传导率，散热器材料和散热介质的热容以及散热器的有效散热面积等等参数有关。

依照从散热器带走热量的方式，可以将散热器分为主动散热和被动散热，前者常见的是风冷散热器，而后者常见的就是散热片。进一步细分散热方式，可以分为风冷，热管，液冷，半导体制冷，压缩机制冷等等。

风冷散热是最常见的，而且非常简单，就是使用风扇带走散热器所吸收的热量。具有价格相对较低，安装简单等优点，但对环境依赖比较高，例如气温升高以及超频时其散热性能就会大受影响。

热管是一种具有极高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管内的液体的.蒸发与凝结来传递热量，它利用毛吸作用等流体原理，起到类似冰箱压缩机制冷的效果。具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点，并且由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。由于其特殊的传热特性，因而可控制管壁温度，避免露点腐蚀。

液冷则是使用液体在泵的带动下强制循环带走散热器的热量，与风冷相比具有安静、降温稳定、对环境依赖小等等优点。但热管和液冷的价格相对较高，而且安装也相对麻烦一些。

散热器技术管理 篇3

关键词：节能减排；换热器；管壳式

中图分类号： TH21.5 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）20-162-2

0 引言

在一些高能耗的产业部门中都要应用到换热器，例如动力、石油、化工等。由于化石能源的紧缺，我国在各行各业积极倡导节能减排，这也进一步推进了换热器节能技术的发展。换热器中应用最广泛的一种就是管壳式换热器，管壳式换热器的节能减排技术主要针对增大传热面积和提高传热系数两个方面，通过强化传热技术来实现节能减排的目的。

1 管壳式换热器的管程节能技术应用

在管壳式换热器中，强化传热，指的是通过对光管进行加工，将其加工成为各种形状的异形管，或者在管内插入其他物体来进行传热强化，这样可以对传热面积进行扩展，使流体的湍流速度增加[1]。

1.1 管内插入件

为了对管内的单向流体传热进行强化，可以使用管内插入件的方法。常用的管内插入件主要有静态混合器、螺旋片、螺旋线圈、纽带等。与光管相比，将麻花片纽带加入到管内，能够增加55%-95%的管的换热系数，70%-400%的摩擦系数。这是由于管内液体从层流到湍流时的临界雷诺数会因为管内的插入物而降低，使其具有更好的强化传热效果。

1.2 针翅管

针翅管不仅能够节省支撑板材料，而且能够使传热面得到有效的扩大，并使流体产生强烈的扰动，有着良好的强化传热效果。针翅管可以作为油品换热器中的换热管，以代替传统的螺纹管和钢管，其具有含尘高温烟气、高粘度介质、低传热膜系数，在余热回收以及纵向流管束换热中都可以得到有效的应用[2]。

1.3 带内凸肋结构管

带内凸肋结构管的显著特征就是管壁上存在有内凸肋结构，应用比较广泛的带内凸肋结构管是横纹管和螺旋槽管。通过对光管进行挤压可以制成螺旋槽管，通过无相变或有相变的传热，螺旋槽管的管壁条纹能够使管内外的传热系数得到明显的提高。与此同时冷凝液膜也会产生附加的表面张力，从而使冷凝传热热阻减少，横纹管的制作比较简单，选择普通圆管，通过滚轧的方式在管外壁制作出一些凹槽，并在管内制作出凸起的环肋，凹槽的方向垂直于轴线。当横向环肋中有液体流过时，就会形成轴向旋涡，使边界层的扰动不断增加，促使边界层的分离，热量传递比较有利。而且一个漩涡消失又会产生另一个涡流，从而对其强化传热作用进行稳定。

在冷凝、沸腾、对流的工况中都比较适用带内凸肋结构管，这是由于其具有并强化传热的功能。单头螺旋纹管的流体阻力略大于横纹管，但其具有更好的传热性能。

1.4 缩放管

使用一次交替的多节渐扩段和渐缩段能够构成缩放管。在管壁面收缩的作用下，流经缩放管的液体压力会出现周期性变化，从而产生涡流，涡流会对流体的边界层进行冲刷，减薄边界层，从而达到增加传热系数的目的。而且管内外单向流体的传热都可以得到有效的强化，在流阻损失不变的前提下，与光管相比，使用缩放管能够增加70%左右的传热量。根据相关研究，缩放管扩张段的局部换热系数逐渐下降，其收缩段具有较强的凭据换热能力。这是由于收缩段的流体加速，能够强化传热，而扩张段流体减速，会弱化传热。当前的缩放管结构中，收缩压和扩张段的长度各占一半，由于扩张段的比例较大，一定程度上影响了缩放管的总体传热效率。因此可以适当的减少扩张段的长度，增加收缩段的长度，并运用平直链面连接方式作为缩放连接处，对流体阻力进行进一步的减小[3]。

1.5 三维内肋管

使用专门的工具和方法加工普通圆管的内壁，能够使其成为三维内肋管，其是一种局部强化传热元件。三维内肋管具有以下几点传热机理：第一，三维内肋管对管内传热面积进行了进一步的扩大；第二，三维内管中的各肋都可以成为扰动源，使流体流动的紊动度增加；第三，肋间的近壁面处流体会进一步加速，从而使热边界层的厚度进一步减薄；第四，三维肋会受到流体的横向冲刷，从而增大肋与流体的换热系数；第五，三维内肋管中的流体会形成周期性振动。

通过相关实验表明，与光管相比，三维内肋管的空气换热倍数为5.8倍，在相同工况下，三维内肋管的管内沸腾换热是光管的2-5倍，凝结换热是光管的3-5倍。然而其缺点在于具有比较复杂的加工工艺，而且清洗比较困难[4]。

2 管壳式换热器的壳程节能技术应用

支撑管束是管壳式换热器中管束支撑结构的主要作用，通过支撑管束能够使有效地控制流体的流速和流行，避免流体诱导振动而造成的管子失效。在管壳式换热器中，壳程的关键部件就是管束支撑结构。有两种方式可以对换热器的壳程传热进行强化，分别为对传热管的管间支撑结构进行改变和对传热管的外表面结构进行改变。

2.1 管间支撑结构

2.1.1 管子自支撑结构

自支撑管能够对原有的管束支撑进行有效的简化，并使换热器的紧凑度得到一定的提高，常用的自支撑管包括变截面管、螺旋扁管、刺孔膜片管等。管子主要是靠变径部分、螺旋线和刺孔膜片进行支撑，其能够构成壳程的扰流元件，使流体自身的湍流度增大，管壁上的流体边界层也会遭到破坏，从而增强壳程传热。

2.1.2 空心环支撑结构

依照一定的间隔将小直径的金属短管设置在换热管束的同一界面上，以此来替代传统的折流栅，其不仅能够，对管束进行支撑，对流体扰动也有一定的促进作用。将强化板和空心环支撑组合起来，可以形成花瓣管、低肋管、缩放管等，流体纵向冲刷产生的对流换热得到了一定的强化，其具有压降小、壳侧空隙率大的优点。

2.1.3 杆式支撑结构

折流板换热器中，横向冲刷的流体可能会产生一定的振动破坏，为了解决这一问题，产生了杆式支撑结构，其主要构成部件是支承杆和折流栅。将一定数量的折流杆焊接在折流圈上，形成折流栅。折流杆会夹住管子，并保持流体的纵向流动。折流杆换热器的有点在于设备结构紧凑，具有良好的抗振性能和较小的流体阻力，传热系统较大。

2.2 管外传热强化

表面多孔管具有良好的管外传热强化功能，由于加工方法的不同，表面多孔管又可以分为机械加工多孔表面管、化学腐蚀加工多孔表面管、烧结多孔表面管等类型。表面多孔管具有粗糙的表面和多孔隧道，气化核心增强，对于形成泡核沸腾更加有利，沸腾时更容易产生强烈的对流给热。但是表面多孔管也存在一定的不足，综合性能较好的是烧结多孔表面管，机械加工多孔表面管难以形成很小的空隙，从而不能有效地提高传热性能，化学腐蚀加工多孔表面管中的金属很容易被氧化，容易掩盖或阻塞微孔，影响使用寿命。

3 结语

在管壳式换热器中应用各种有效的节能减排技术能够起到良好的作用，主要是对换热器结构进行改进或者对传热元件进行强化。当前该方面的研究大多属于半经验性和经验性研究，但是这也存在一定的问题，在强化传热的过程中可能会增加流动阻力。因此在应用节能节排技术时还要考虑对流体阻力的增加进行有效的控制。

参 考 文 献

[1] 唐安.一种水冷换热设备除垢方法研究[J].船电技术，2016（02）.

[2] 尤天运.浅谈换热器管束制作过程中的关键工序[J].中国新技术新产品，2013（22）.

[3] 金文凯.U型换热器管束潜在质量问题分析及处理对策[J].中国化工装备，2013（01）.

散热器技术管理 篇4

近些年来,太阳能作为绿色环保能源在我国得到大力开发与应用,在全国建立的一些示范工程也取得了阶段性成效[1]。但是,目前国内对太阳能散热器采暖与热水供应相结合的系统研究的较少,并且,对夏热冬冷地区的太阳能散热器采暖系统几乎没有研究。本文针对这些问题,在夏热冬冷地区进行太阳能采暖与热水供应系统的实验,对系统应用技术进行了研究。

1 太阳能采暖与热水供应的实验系统

利用集热器收集太阳能并结合辅助能源来满足采暖和热水供应需求的系统,称为太阳能采暖——热水联合系统[2]。在该系统中利用贮热水箱蓄热,冬季满足用户散热器采暖及生活热水的需求,其他季节满足用户生活热水需求。

1.1 系统设计方案

本实验系统可满足冬季、夏季、过渡季节不同气候条件下用户对采暖以及生活热水的需求,冬季晴朗的白天,太阳能集热器吸收太阳辐射,加热贮热水箱储存热量,当温度达到一定值时,生活水箱可向外提供生活热水。安装在贮热水箱中的换热盘管提供采暖热水,在采暖循环水泵的作用下进入散热设备,将热量传向室内。

夜间或阴雨天时,集热器停止工作,贮热水箱直接向室内供热。当贮热量不足时,采用辅助热源,该方案采用电加热器补充热量。夏季及过渡季节不需要向室内采暖时,太阳能集热器将吸收到的太阳辐射转换成热量储存在贮热水箱中,关闭采暖系统供回水处的阀门,停止向室内供热,生活热水系统照常工作。

为实现采暖和热水供应的运行工况,实验系统具体设计方案如下[3,4]:(1)系统形式为短期蓄热,间接式,散热器太阳能采暖与热水供应系统;(2)集热系统为强制循环太阳能采暖系统,集热器形式为真空管式;(3)蓄热系统为液体工质集热器短期蓄热系统,贮热水箱为盘管式水箱,水箱内的水流经集热器时被加热,再和盘管内的水换热,盘管内的水为采暖热水,水箱内的水供应生活热水;(4)散热末端装置为钢管散热器;(5)辅助热源形式为电加热系统;(6)管道保温采用橡塑保温材料;(7)自动控制系统采用定温控制与温差控制相结合的控制方式。

1.2 实验系统图

实验系统原理图如图1所示。实验系统分为集热系统和采暖系统两部分,均可启停控制,可以实现晴好天气集热器+贮热水箱提供采暖和生活热水、阴雨天气辅助热源提供采暖和生活热水、贮热水箱单独提供采暖和生活热水等不同工况的实验要求,且集热系统得热量、采暖系统供热量及两系统供回水温度均可分别计量,以便测试数据。

1.3 实验房间及系统安装

实验地点为浙江省湖州市长兴县,实验选择在一栋宿舍建筑中的部分房间进行,建筑总共五层,在三层两个房间进行采暖实验,实验户型如图2所示,现场图片如图3~图5所示。实验情况如下:实验房间总面积42 m2,墙体未做保温处理,且有窗墙比大、冷风渗透量大等南方地区房屋特点;实验地区夜间温度低于0℃,选用真空管集热器,面积12 m2;盘管式贮热水箱容积200 L;辅助热源为容积式电加热器,功率2 kW。

1.4 实验内容

实验系统选用真空管集热器吸收太阳辐射热,供给室内采暖;辅助热源选用电热水器,天气晴好时,电热水器关闭,完全依靠太阳能集热器进行采暖,以测试系统运行效果,夜间以及阴雨天气开启电热水器,防止室外温度过低使集热器循环水结冰损坏集热系统;室内采暖设备选用钢管散热器,系统形式为双管,上供上回式系统。

(1)实验内容:

1)在集热系统的供回水管上安装热量表,测量集热量、集热器供回水温度及流量;

2)在散热系统的供回水管上安装热量表,测量供热量、散热器供回水温度及流量;

3)用手持式红外线测温仪测量散热器表面温度;

4)在辅助电加热器上串联功率表,测定电热水器的耗电量;

5)室内外温度测试使用自记温度采集器,测量采暖房间、非采暖房间温度及室外温度;

6)分别在晴天和阴雨天对外提供生活用水,测试室温变化情况。

(2)实验过程

实验系统从2008年12月开始搭建,2009年1月1日试运行,1月2日~1月20日为实验阶段。1月3日~1月8日为连续阴雨天气,测试辅助热源采暖时室内的采暖效果及耗电量;1月9日~1月18日为晴好天气,测试集热量、供热量的变化,以及由此对室内温度造成的影响;通过对比采暖房间与非采暖房间的温度状况,分析在阴雨和晴好天气测试提供生活热水对采暖效果的影响。

2 太阳能采暖与热水供应系统实验数据及分析

实验测试了系统采暖及提供生活热水时,太阳能集热系统、采暖系统、辅助热源等部分的相关数据,并在实验中分别对采暖房间与非采暖房间的室内温度进行了测试。

2.1 实验数据

2.1.1 系统连续运行时集热量、供热量及室内外温度变化对比分析

1月9日~1月16日系统集热量与供热量随时间变化做出分析,曲线变化如图6所示。

日期

日期

图6为每天8:00~17:00的集热量、供热量变化对比图,从图中可以看出,集热量、供热量每天分别在相近时刻达到最大值,且增长和衰减趋势相同。由于水箱的蓄热作用使得供热量的变化较集热量有一定延迟,且每天8∶00时的供热量并未像集热量一样降低致0。同时由于管路散热及盘管换热损失使得采暖系统供热量小于集热量,但两曲线的总体变化趋势相近。

图7为室内外温度变化情况,从图中可以看出每天采暖房间的平均温度比非采暖房间高6.8~7.2℃,十天内采暖房间平均温度为10.1℃,比非采暖房间4℃高6.1℃。可以看出太阳能采暖系统可以使房间在持续时间内维持较稳定的采暖效果,较非采暖房间的舒适性有较明显的改善。但是,如想获得更高的室内温度,则应根据要求再适当加大集热器的数量或加大辅助热源。

2.1.2 辅助热源采暖室内外温度变化对比分析

1月3日~1月8日为连续阴雨天气,太阳能集热器不能工作,全天开启辅助电加热进行采暖,下面选1月4日测试参数进行分析,室内外温度变化情况如图8所示。

从图8可以看出,由于连续阴雨天气,白天没有太阳辐射热,非采暖房间室内温度和室外温度大体相同,约在5℃;采暖房间有辅助热源提供热量,温度维持在约12℃。辅助电加热的功率为2 kW。

2.1.3 生活热水系统实验分析

在实验过程中分别选出1月8日与1月13日两天下午17∶00提供生活热水,测试采暖和生活热水的相关数据。1月8日为阴雨天气,1月13日为晴好天气,两次分别放出80L生活热水。实验结果曲线图如图9、图10所示。

1月13日为晴好天气,在供应生活热水过程中,热水放出的温度为42~35℃。

从图9可以看出,在17∶00~17∶30之间热水供应后,由于生活热水直接取自水箱中的集热器循环水,集热器供回水温度有10℃左右的明显下降;散热器水循环环路与水箱中的水间接换热,因此散热器进出水温度的下降趋势不如集热器处的明显,下降温度为5℃。从图10可以看出,17∶00~19∶00实验房间室内温度有1℃的下降,这是由于房间以及系统的蓄热作用,采暖房间的室温虽有下降,但下降的趋势也不明显,因此,热水供应后,虽然对系统水温产生一定影响,但对室内温度的影响不大。

1月8日为阴雨天气,在供应生活热水过程中,热水放出的温度为40~31℃。当天早8∶00到第二天早8∶00的采暖房间与非采暖房间室内外温度对比图如图11所示。

从图11可以看出,17∶00生活热水放出时,实验房间室内温度为11.8℃,生活热水放出后,18∶10实验房间温度达到最低值11.3℃,20∶30实验房间温度恢复到11.8℃,可见采暖房间室内温度有先下降后上升的趋势,当辅助热源补充了热量后,室内温度很快可以恢复到正常值。因此,虽然系统在提供生活热水后,采暖房间室内温度有一定下降,但由于房间的蓄热作用,这种影响并不明显,系统依然可以正常采暖。

2.2 数据分析

2.2.1 供暖效果的分析[5]

从上述实验数据来看,1月9日~1月16日晴好天气8∶00~17∶00实验房间平均温度为10.4℃,虽然较非实验房间温度平均温度4.4℃有较明显改善,但实验房间温度仍未达到设计温度16℃。以下对原因加以分析。

管路损失较大。从实验数据来看,集热系统最大集热量为2.16~2.65 kW,最大供热量为1.61~1.96 kW,且从图6更可清楚的看出,系统的集热量和供热量有较大差异,经计算得出,整个系统的管路损失达400 W以上,占平均集热量的1/3,若改善系统管路的保温效果,实验房间平均温度可明显提高,因此,做好管路保温将使实验房间温度得到较大改善。

冷风渗透耗热量较大。实验要求每半小时记录实验数据一次,经常开启阳台门,造成较大的热量损失,经计算可知,由于外门开启造成的冷风侵入耗热量可达300 W,在做好管路保温的基础上,若减少门窗开启次数,实验房间室内温度可以提高,因此,为维持较高的室内温度,应尽量减少门窗开启次数。

2.2.2 生活热水供应效果的分析

实验中生活热水供应时间选择在17∶00~17∶30之间,分析可知,生活热水供应时间越接近中午,对系统的影响越小,因为这时集热系统的集热量会很快补充供应生活热水后的热量损失;在开启辅助热源后供应生活热水,由于辅助热源很快会补充系统散失的热量也将对系统产生较小影响;在每天傍晚集热量下降到最低时到辅助热源开启前的这段时间内提供生活热水对系统的影响最大,因此,在使用生活热水时尽量不要选择这段时间,以减小系统提供生活热水时,对采暖造成的影响。

2.2.3 辅助热源采暖

从实验数据可以看出,当辅助热源提供2 kW供热量时,可使室温维持在12℃。在实际使用的太阳能采暖系统中,辅助热源不必满负荷设计,可按照主要房间面积占总面积的百分比设计辅助热源负荷值,在需要开启辅助热源时,只对主要房间进行采暖,以节省运行费用。本实验辅助热源形式采用电加热,今后根据当地地下水资源情况或地质特点,还可考虑采用地源热泵作为辅助热源形式,系统中加入地源热泵将节省系统的运行费用,且实现更好的环保效益,但系统初投资会相应增加,因此,在选用地源热泵作为辅助热源时,需将几个因素综合考虑,再对系统进行设计。

2.2.4 减小系统初投资及运行费用的措施

在该实验中,每平米集热器面积可提供200 W左右热量,对夏热冬冷且太阳能资源一般的Ⅲ区中集热器、集热量进行估算后,得到在该类地区每平米集热器集热量为200~250 W,这和房间热负荷直接关联,集热器面积是确定太阳能采暖系统规格的决定性因素,因此,房间热负荷指标是确定太阳能采暖系统规格的重要参数。

由于南方地区围护结构大多不做保温处理,且窗墙比普遍较大,造成这些地区采暖热负荷指标普遍较高,经过对夏热冬冷地区别墅类建筑典型户型的热负荷指标估算可知,这些地区的热负荷指标均达到100 W/m2左右,有的甚至达到110 W/m2。在不改变户型及窗墙比的前提下,仅对这类地区建筑的围护结构做保温处理,均能使其热负荷指标降低到60 W/m2以下。采用一些施工难度小,投资成本低的保温隔热措施,就能将房间耗热量指标下降到原有耗热量的50%~60%[6],从而就可减小系统中集热器面积、贮热水箱容积、辅助热源规格、散热器片数等参数,将系统的初投资大大降低,且可降低系统运行过程中的水泵、辅助热源的耗电量,节省运行费用。

3 结论

(1)无论是在晴好天气系统由集热器提供热量,还是在阴雨天气开启辅助热源提供热量时,系统都可以同时满足用户对采暖和生活热水的需求。且末端装置采用散热器可以满足用户室内采暖的需求。

(2)尽量避免在每天傍晚集热量下降到最低时到辅助热源开启前的这段时间内提供生活热水,以减小对房间采暖效果的影响。在系统提供生活热水后,须开启辅助热源补充热量才能使系统为房间正常供暖,且建议在阴雨天辅助热源工作时,尽量减少生活热水用量以减少系统的运行能耗。

(3)在系统安装时,必须对管路做好保温处理。另外,房间的保温效果将对系统选型和系统运行效果造成较大影响,对房间进行保温处理,可以大大降低系统的初投资及运行费用。

摘要：通过太阳能采暖与热水供应系统在夏热冬冷地区的实验,测试了系统采暖及提供生活热水时,太阳能集热系统、采暖系统、辅助热源等部分的相关数据,并在实验中分别对采暖房间与非采暖房间的室内温度进行了测试。通过实验数据分析了太阳能采暖与热水供应系统在夏热冬冷地区使用应考虑的问题,并给出系统设计及运行过程中提高系统性能的有关建议,为有关设计提供参考。

关键词：太阳能系统,热水供应,散热器采暖

参考文献

[1]芦潮.太阳能采暖-热水联合系统在北京平谷区挂甲峪村的成功应用[J].太阳能建筑,2006,15(4).

[2]芦潮,朱敦智.盘管式与容积式储热水箱供水实验研究[J].太阳能学报,2008,29(5).

[3]郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M].北京:化学工业出版社,2006,2.

[4]中华人民共和国建设部主编.太阳能供热采暖工程技术规范(GB50495-2009)[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[5]张思思.村镇住宅太阳能采暖与生活热水供应技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009,6.

汽车散热器发展浅析 篇5

摘 要： 在阐述汽车散热器构造的基础上，对比分析了铜质与铝质散热器性能

上的差异，为进一步研究汽车散热器的相关问题奠定了基础。

关键词：汽车； 散热器； 冷却系统； 发动机

散热器是汽车发动机的冷却系统中必不可少的的重要部件，是一种将发动机水套内冷却液所携带的多余热量，经过热交换，在外界强制气流的作用下，向大气散发的热交换装置。因此，散热器性能的好坏，直接影响到汽车发动机的性能，乃至关系到汽车能否安全行驶的问题。目前，散热器正在向高轻型、经济方向发展。

１ 汽车散热器的构造

散热器由冷却用的散热器芯子、储存冷却液的上水室与下水室组成。由于散热器工作时产生水蒸气，因此上水室还承担汽水分离的作用。

１．１ 散热器的机构形式

强制循环式水冷用散热器，可分成横流型与直流型。

其中直流型散热器，在汽车发动机上的应用十分广泛。然而，由于其散热芯子垂直布置，芯子上下分别布置了下水室与在发动机罩盖较低的轿车上布置比上水室，因此高度比较大。在发动机罩盖较低的轿车上布置比较困难。因此有些轿车上采用散热器芯子水平布置，用左右两侧的水室代替传统的上下水室结构，冷却液左右流动的横流式散热器〔１〕。这种散热器宽度尺寸比较大，芯子有效面积增加 １０ ％，从而加大了风扇尺寸，得到更多的迎风面积，使气流更为流畅。

1.2散热器芯子的结构型式

散热器芯子是散热器的重要组成部分，起主要的散热作用。散热器芯子主要有散热片、散热管及上下主片等组成。由于其具有足够的散热面积，因而能保证将必须的热量从发动机散发到周围的空气中。且散热器芯子是用导热性能良好的金属及其合金制造的。能使散热器芯子以最小的尺寸及质量，达到最高的散热效果。

散热器芯子的结构，主要有管带式、管芯式、细胞式、管片式等。管带式散热器可以采用双列、单列或多列散热管。多列散热管可以在有限的空间尺寸内，获得更好的冷却效果。现代汽车上，随着发动机强化程度的提高，热负荷也日益增加。此外，在采用自动变速箱时，自动变速箱所用的机油也需要冷却〔２〕。因此在冷却系统内需要增加油—水交换器。这样就增加了散热器所提供的散热量。多列与双列的管带式散热器，在现代汽车发动机上的应用增多。同一系列的轿车，在采用手动变速箱时，装单列冷却管带式散热器，可以满足散热需求；而采用自动变速箱时，则需装用双列或多列管带式散热器。

管片式散热芯子，是由许多散热片及散热管组成。散热管外面串装了许多薄的散热片。空气在平行的散热管及散热片的外表面所形成的风道中通过，从而使散热管内流动的冷却液得到冷却。管片式散热器的主要优点，是结构强度好，且能更好地避免油污、尘埃等堵塞芯部。多用于工况恶劣、振动较 大的载重汽车上。

而管带式散热芯子，由于其是由波纹状的散热管与散热 带相间排列构成的。且在散热带上开有许多类似百叶窗的孔，以破坏空气流在散热带表面上的浮着层，提高散热能力。这种散热器的芯子与管片式相比较，制造工艺简单、成本低、质量轻，散热能力更高，但是结构强度不如管片式好。

２ 铜质与铝质散热器的应用

由于铜的导热性良好，易于焊接加工且耐腐蚀，长期以来，很多汽车企业一直使用铜及铜合金制造汽车发动机散热器。然而随着社会的进步，汽车工业的飞速发展，人们始终力图降低汽车的自重，节省材料消耗，于是铝质散热器得到了应用。

散热器的主要功能，是为了散热，由于铜的导热性比铝要好许多，人们一直采用铜及铜合金生产散热器。然而汽车散热器的工作环境较为恶劣，为避免铜散热器与硫、氨化氢、氢化 物及酸等物质接触，以便延长铜散热器的使用年限，往往需要在铜散热器的表面上覆锡保护层与浸渍铅锡钎焊成型，这样导致铜散热器的散热效率反而比铝散热器要低很多〔３〕。并且铝散热器采用的是焊接强度高、抗腐蚀性能良好的防锈铝合金材料，用这种材料制成的铝散热器具有散热效果良好、净质量小、耐用、节能、造价低、装拆方便、经济性与实用性都优于铜散热器的很多优点。

２．１ 结构强度比较

铜质散热器常采用软钎焊，焊接强度为 ８００～１０００ ＭＰａ，而铝质散热器采用硬钎焊，焊接强度为 ９５０～１３００ ＭＰａ，因而铝质散热器可以承受更大的外力。铜质散热器的散热管通常是咬缝管，焊缝也采用软钎焊，铝质散热器的散热管采用的是高频焊管，焊缝强度甚至高于母材，铝质散热器可以承受更大的系统压力，在进行水爆压力试验中，高频焊管的爆破点通常出现在焊缝附近的母材上，而不是焊缝上。另外，铝散热器与铜散热器一样，能够经受住以相关技术章程中规定的振动方式的台架振动试验 ６３０ 万次而不损坏，完全能够满足装车状况下的使用要求。

２．２ 产品净质量比较

铝的密度为 ２．７ ｇ／ｃｍ３，铜的密度为 ８．９ ｇ／ｃｍ３，同样体积时，铝材料的净质量仅是铜的 ３０ ％。由于延展性的限制，铝材料的轧制厚度比铜要高１倍左右。同样，散热能力和外形尺寸条件下，铝制产品的净质量要轻 ４０ ％左右，整车的轻量化具有更高的经济性。

２．３ 散热器散热性能比较

从铝与铜这两种材料来说，铜的散热系数比铝要高 ８２ ％ 左右，通常情况下，具有同样规格尺寸的散热器，铝散热器的散热性能比铜散热器要低，但实际情况是铝散热器的散热性能要高于铜散热器。这首先是因为加工工艺造成的，铜散热器的芯子采用铅锡合金焊接，合金的导热系数只有铝的 ２３ ％，导致热量传递过程中有较大的热阻； 另外，铜散热器在焊接过程中，水管和散热带之间的填料与母体发生反应，形成厚度较大的铜锡合金，也严重影响了它的散热 〔４〕。而铝散热器所使用的焊料是硅铝合金，与母体的材料相同，在钎焊炉中熔化后，会有一部分扩散到母材中，焊角处的厚度很小，对散热性能的影响也较小，所以硬钎焊铝制散热器的散热性能，比铜散热器要高。通常相同芯体尺寸的散热器，铝散热器的散热性能要比铜散热器高 １００ ％以上。所以，在已有车型上更换铝散热器，在保证连接尺寸不变的情况下，芯体的尺寸做得薄且小，而散热性能又有所提高。

３ 结束语

散热器的科学选购 篇6

11月的北方城市,将集体进入供暖季。供暖的日子一到,家中的散热器(俗称“暖气”)便走进了我们的视线。

近些天,家住北京市的周小姐正在忙着为自己的新家装修。在习习的寒风中,周小姐心里只有一个念头,就是赶在寒流到来之前,选购并安装好散热器。

一套下来动辄上万的散热器,对家庭装修来说是一笔不小的开销,周小姐自然不敢怠慢。多日来,徘徊在居然之家、五棵松建材市场、蓝景丽家等销售散热器市场中的周小姐,听到最多的词汇便是“无缝拼接”、“承压能力强”、“高科技防腐涂层”、“质保50年”等。这些新技术、新名词,令第一次接触散热器的周小姐有点儿不明就里。购买初衷奔著“美观、实用”而去的周小姐,在销售人员一通“专业”的介绍下,反倒不知从何下手了。

在咨询了小区内一些已经安装好散热器的业主后,周小姐有了主心骨,选购散热器不仅要结合本小区的水质和散热量,集中供暖选钢质的,独立供暖选铜铝复合材质的,同时,散热器的售后服务也不容忽视。

根据水质选材质

新型散热器按材质的不同分为钢质散热器、铝合金散热器、铜制散热器、铜铝复合散热器、不锈钢散热器等,最常见的当属铜铝复合散热器和钢质散热器了。由于材料自身的特性,不同材质的散热器呈现出了不同的特点。选购时不仅受供暖方式影响,还受水质的影响,而水质会严重影响散热器的使用寿命。

铝合金传热能力强,耐酸、耐氧化,但易发生碱性腐蚀;钢的强度高,承压能力强,能耐一定的碱性,但易发生氧化腐蚀;铜的耐腐蚀等综合性能较好,但水中硫化物过多或是杂铜也会腐蚀,且铜的机械强度偏低,不易塑形。

由于我国大部分水质都是碱性水,因此很少使用铝质散热器和铝合金散热器。与此同时,一些小厂家生产的铜铝复合材质散热器由于焊接工艺不到位,后期铜与铝的部分往往会脱开,失去散热效果。

独立供暖的可以使用任何材质的散热器。消费者选定散热器的主材后,要向商家提供一些具体的数据参数,如水质情况(碱性度)、进出水温度、接口大小、供暖方式等,以便商家为消费者提供最好的选择。

水质较差(不符合“水中溶解氧含量需小于或等于0.1毫克每升以及PH值要在8.5至10之间”标准)的不能选用钢制散热器、水质碱性强不宜选择铝制或铝合金散热器;如果是老房改造,则应该按照接口的大小选择同样大小管径的散热器,不能随意改小,否则会影响整体供热效果。

散热器巧装饰

在散热器的选择上,房间如有落地窗,宜选用矮长的置于窗下的散热器,但出于减少占用房间使用面积的目的,从装饰效果出发,也可选择高窄的置于侧墙的散热器;消费者如需要在窗前安装护栏,则可选择单柱或二柱散热器,既为护栏,又可采暖,一举两得;对于有窗台的房间,可以选择低于窗台与窗台大致等宽的散热器;消费者亦可选择较高的散热器置于窗户侧面或侧墙。

如果房间采用异形(如折形、弧形)窗台,可以根据具体尺寸到专业散热器生产厂家进行定制。

“瘦高扁”造型散热器虽然节省空间,但由于较高的散热器需要较大的水压力,分户供暖的锅炉很难达到要求,因此,分户供暖家庭最好不要选择此类造型的散热器。

在不同的材质中,铸铁散热器是质量最好,性能最稳定,散热量最大的。一般来说,单片大孔径的散热量大,异型的散热器下方往往孔小,或者管道在其上七歪八拐,其实不利于水的流动,对散热量有一定的影响。消费者最好心里要明确这个概念,在选择时,只将这种异型散热器当做某个局部空间的点缀即可。

分析材质选产品

散热器造型花哨并不实用,消费者选购时一定要仔细分析各种材质散热器的优劣,以选到最适合自己的产品。

1.“双水道”铜铝复合散热器

铜铝复合散热器承压能力高、耐腐蚀、散热效果好、不受供暖系统限制,价格属于中等偏上。

立体双水道散热器的散热量比传统单水道散热器要高出80%;优化的对流空间,使得在散热量相等的情况下,消耗量减少,降低了资源消耗。

2.钢制散热器造型漂亮

进口钢制散热器的造型和颜色非常漂亮,价格也比较贵,一组散热器的价格在2000元左右。国产和合资的产品则价格便宜些。

尽管新款的钢制散热器采用科学的防腐层,已经不再需要使用镁棒,但对小区的供暖系统有一定要求。一般的大品牌将安排专业工人上门查看供暖系统,测量和估算所需散热量,但如果发现供暖系统达不到要求,则不推荐使用此类产品。

3.纯铜散热器价格较贵

纯铜散热器非常节省空间,可用单排圆管或双排圆管制作出各种造型,散热良好、适用各种采暖系统,但价格相对较贵。

散热器选购常见误区

误区一:铝制散热器不腐蚀

铝制散热器不怕酸腐蚀,却容易发生碱腐蚀和氯离子腐蚀,所以当一个供热系统的水质呈碱性(PH值高于7)或氯离子含量较高(含盐量大)时,散热器就存在腐蚀漏水的隐患。

另外由于目前国内铝合金的焊接性能不是很好,建议消费者避免选用带焊缝的铝合金散热器,而选购全压铸的铝合金散热器,以免焊缝处漏水引起财产损失。

需要提醒的是:由于铝合金散热器对水质的要求与钢不一样,所以应避免铝合金散热器与其他材料混合安装。

误区二:没有焊缝不怕腐蚀

目前市场上有些散热器厂家大力宣传其散热器产品“没有焊缝、内腔洁净光滑”等,其实这对于散热器的抗腐蚀并不能起到作用。

因为钢制散热器的腐蚀均不是发生在焊缝上,这是由钢制散热器的腐蚀原理氧腐蚀决定的,所以没有焊缝或内腔光滑不等于就没有腐蚀。

误区三:内涂就是防腐

散热器内防腐的常用涂料分两类:一类为无机涂料,以锌基铬盐类为代表。另一类为有机涂料,目前市场上大部分国内品牌的散热器选用这两种涂料。还有部分厂家为了节约成本,省掉了某些处理环节,只做一次内涂处理,涂层厚度一般不超过30微米。因此目前市场上部分做了内涂的散热器,在热水中泡上5天左右,便出现大面积起泡,涂层开始剥落。

误区四:壁厚不怕腐蚀

钢制散热器不易被腐蚀损坏,是因为这种钢本身抗氧化腐蚀的性能好,而不是因为壁厚。

误区五:质保50年=安全使用50年

商家“质保50年”的说法是否能说明产品质量很过硬呢?这些消费者不能尽信。散热器本身只要质量过关并不容易出现问题,但安装、使用不当则会导致很多严重后果。有的商家说“产品质保50年”是在偷换概念,说的是产品本身的质量可以保证50年,却让消费者误以为可以安全使用50年。

散热器安装步骤

第一步:科学规划位置

散热器的位置关系到家居安全美观,确定位置要考虑三点:一是安全性,如悬挂式散热器最好放置在承重墙上;二是功能性,如散热器放在窗下可阻止冷辐射及冷空气环流,并且当人靠近寒冷的窗户时,不会明显感觉到有冷气侵入;三要考虑家具因素,不宜把散热器安装在怕长时间受热的家具附近。

第二步:安装要高度密闭

在施工中,安全密闭很关键,要注意不能有漏水的地方。

第三步:打压测试验收

散热器技术管理 篇7

全国暖通空调及净化设备标准化技术委员会于2014年3月26日在北京主持召开了《采暖用钢制散热器配件通用技术条件》国家标准送审稿审查会。参加会议的有设计、科研、检测、教学、生产、管理、应用等单位的专家, 成立了该标准的专家审查组。

专家审查组在听取了标准编制组的标准编制情况介绍和有关技术内容说明后, 对标准逐条进行了认真、负责的审查, 认为该编制组提交的送审材料齐全, 符合审查要求, 标准的编制符合国家政策和有关标准编写规定要求, 与现行相关标准协调一致。同时该标准对钢制采暖散热器的片头、丝堵、螺纹管口等配件提出了明确技术要求和规定, 对保证钢制采暖散热器产品质量、规范市场健康发展, 推动行业技术进步具有重要意义, 标准具有创新性和可实施性, 一致同意通过《采暖用钢制散热器配件通用技术条件》 (送审稿) 标准的审查, 并提出了对该标准相关条款的修改意见。

散热器技术管理 篇8

1. 供暖系统的水质及其对系统设备的影响

1.1非封闭式供暖系统中的循环水都会含有一定的溶解氧。循环水中的溶解氧对系统中材质为钢制的设备及配套部件将产生氧化反应, 生成氧化铁并快速一层层剥落, 到一定程度造成系统漏水;循环水中的溶解氧对系统中材质为铝制的设备及配套部件也会产生氧化反应, 但铝氧化膜可防护原材料进一步氧化;循环水中的溶解氧对系统中材质为铜制的设备及配套部件也会产生氧化反应, 但速度很慢。所以非封闭式系统是不适合使用钢制设备的。

1.2如果循环水直接使用含氯高的自来水或在循环水中加盐等, 则循环水中会含有超量的氯离子。氯离子的存在对极大多数金属都会有较大的腐蚀性, 这是由于氯离子的存在会破坏金属表面的保护膜。另外氯离子愈大, 溶液的电导率愈大, 从而加剧微电池作用, 腐蚀也就愈快。所以氯离子对各种材质的供暖设备都会产生很大的腐蚀, 特别是铝制设备腐蚀速度更快, 不能在这样的系统中使用。

1.3供暖系统水质的PH值 (酸碱度) 不同则循环水中的不同离子会对系统中的设备产生不同的化学反应, 造成系统漏水:如钢制设备不能运行在PH≤9.5系统中, 铝制设备不能运行在PH≥8.5的系统中等。所以系统设备材质的不同, 其循环水的PH值必须严格按国标要求不同。

2. 国标《采暖空调系统水质标准》对供暖水质的规定

采暖系统供暖分为集中式和独立式两种。集中式又分为锅炉直供和间供二次网采暖循环水系统, 随着国家对能耗高污染重的小锅炉的取缔, 锅炉直供系统已越来越少。根据成熟的理论与多年的实践, 我国对供暖水质规定如下:

2.1 集中式间供二次网采暖循环水系统循环水及补充水水质标准 (见下表)

注: (1) 依据污水排入城市下水道水质标准, 当系统运行水质PH>9.0时, 需对排放水进行深度处理达到排放标准后, 方可排入城市下水道。②当水温≥80℃时, AISI 304不锈钢材质的间供二次网采暖循环水系统循环水及补充水的氯离子浓度宜≤40mg/L。③城市自来水的PH值一般在6.5~7.5之间。

2.2 集中式直供采暖循环水系统循环水及补充水水质标准

集中式直供采暖循环水系统的循环水水质宜应按照《工业锅炉水质》 (GB 1576-2008) 标准执行, 系统补充水水质应按照《城市热力管网设计规范》第三章第三节条款执行。这是锅炉内水处理, 温度95℃的循环水要求p H=10~12, 炉水碱度为8-20毫克当量/升, 这项规定一方面是控制给水含氧量, 保护水管道和锅炉本体的腐蚀;另一方面是使结垢物质变为沉渣, 以提高锅炉的使用寿命。

3. 各种新型采暖散热器的性能

目前国内市场上新型采暖散热器主要有压铸铝散热器、钢制板式、钢制柱式、铜管对流、铜铝复合等散热器, 其性能差异是比较大的, 下面对上述散热器性能分析以下:

3.1 压铸铝散热器

3.1.1热工性能好, 金属热强度能达到2W/kg℃以上。

3.1.2 耐氧腐蚀, 使用寿命长。

3.1.3怕氯离子腐蚀, 要求热媒水中含氯量低。怕碱腐蚀, 要求热媒水PH值在6.5~8.5。所以不能用于锅炉直供水和加了碱、加了软化剂的系统。可用含氯较低的自来水直接作循环水。

3.1.4散热器的水容量较小, 采暖系统的热惰性比较小, 温度调节较快, 运行阻力较小。

3.1.5导风结构合理, 热空气较均匀, 舒适性好又不会熏顶, 外形简洁大方, 整体性价比非常好, 很适合二次换热系统和独立供暖系统。

3.2 钢制板式、钢制柱式散热器

3.2.1 热工性能较好, 金属热强度能达到1W/kg℃以上。

3.2.2怕氧腐蚀, 要求系统必须是严格的封闭系统或将循环水的PH值控制在9.5~12.0。如果系统管理不好, 寿命极差。自来水必须经过处理才能用于循环水。

3.2.3 耐氯离子较好, 喜欢碱性水质, 可用于锅炉直供水系统。

3.2.4钢制板式散热器水容量较小, 热惰性小, 温度调节容易。而钢制柱式散热器水容量较大, 热惰性也大, 适合间歇的供暖。

3.2.5价格优势明显, 但使用寿命一般。热气要熏顶又是它们的明显缺陷。所以适用于碱性水质又要求价格低但系统管理较严的系统。

3.3 铜管对流散热器 (又叫铜管铝串片散热器)

3.3.1 热工性能较好, 金属热强度能达到1.8W/kg℃以上, 对流散热为主。

3.3.2 耐氧腐蚀, 使用寿命较长。

3.3.3怕氯离子腐蚀, 要求热媒水中含氯离子低。耐一定的酸和碱。可用含氯低的自来水直接按作循环水。

3.3.4 水容量很小, 温度调节容易。

3.3.5 外形美观, 但价格较高, 对系统循环水的温度与流量要求高。

3.4 铜铝复合散热器

3.4.1热工性能中, 金属热强度能达到1.5W/kg℃以上。

3.4.2 耐氧腐蚀, 但铜铝复合有一定的寿命, 所以可靠性一般。

3.4.3 怕氯离子腐蚀, 要求热媒水中含氯离子低。耐一定的酸和碱。可用含氯低的自来水直接作循环水。

3.4.4 水容量一般, 温度调节中。

3.4.5 价格较高, 所以只用于循环水质很不确定的系统。

3.5 钢压铸铝复合散热器 (又叫双金属散热器)

3.5.1热工性能中, 金属热强度能达到1.2W/kg℃以上。

3.5.2怕氧化腐蚀, 要求系统必须是严格的封闭系统或将循环水的PH值调到9.5~12.0, 所以寿命一般。但由于钢水道壁厚均匀, 焊接点少, 故比一般的钢制散热器寿命长。自来水必须经过处理才能用于循环水。

3.5.3 耐氯离子较好, 喜欢碱性水质, 可用于锅炉直供水系统。

3.5.4 水容量很小, 温度调节容易。

3.5.5导风结构合理, 舒适性好又不会熏顶。外形简洁大方, 但价格偏高。故适合于碱性水质, 但又对外观与熏顶有较高要求的系统。

综合上述, 压铸铝散热器的综合性能要优于其它新型散热器, 特别在二次换热的集中供暖和独立采暖中, 它的热工性能、可靠性和舒适性以及性价比优势更加突出。用压铸铝散热器时系统循环水的PH值中性, 所以自来水可作直接循环水并且循环水也可直接排放, 符合环保要求, 降低了运行费用。该系统的热惰性小符合热计量的要求, 为系统节能提供了保障。该散热器外形简洁大方, 热气很少熏顶的特点非常符合现代人们对室内装饰要求较高的需求。所以随着我国二次换热的集中供暖普及化和独立供暖的增加, 压铸铝散热器的使用将越来越普遍。

4. 采暖系统的设计

4.1 设计的原则

4.1.1首要原则是采暖系统的可靠性, 即系统运行时故障率要低, 系统所用设备的寿命要长。这就要求系统设计时必须根据热源的条件和终端的要求确定合适的系统, 从而选择相配套的管材、控制器和散热器等, 再根据国家标准制定循环水的水质要求。

4.1.2终端的舒适性, 这包括散热器与室内环境的协调度, 室内热空气的均匀度, 室内空气的流动度等。

4.1.3节能环保, 要求所用设备必须是环保的材料, 散热器的金属热强度尽量高一些, 散热器的热惰性尽量小一些, 每个散热器都必须配备温控器。

4.2 集中式二次换热系统 (集中式间供二次网供暖)

在这种系统中热源为二次换热的换热器或换热站, 热媒为循环水, 一般用自来水作补充水。从国外与国内的用户反映中我们总结认为:

从可靠性看, 最好的为铜制设备系统, 第二为铝制设备系统, 第三为钢制设备系统。但铜制设备价格太高, 仅适用于高端用户系统。而铝制设备性价比很好, 适合于中高端用户系统。钢制设备价格最低, 适合较低端用户系统。

从舒适性看, 最好的为压铸铝散热器, 第二为钢压铸铝散热器, 第三为钢制板式散热器。

从节能环保看, 用铝制设备金属热强度最大, 热惰性最小, 节能效果最好。另外循环水的PH值为中性, 对环境的影响为最小。

综上所述, 在这种系统中最佳选择为压铸铝设备系统。即选用压铸铝散热器为终端, 铝塑管或热水塑料管为管材并取用一般的温度控制器的铝制设备系统。

只要是价格可以接受, 本人不建议在此系统中使用钢制设备。首先, 因为怕氧腐蚀所以钢制设备为提高可靠性必须是闭式或接近闭式系统, 但这在实际运行中很难做到, 钢制设备的可靠性都不高即使用寿命不长。其次, 钢制散热器都有熏顶现象, 热空气均匀度也一般, 所以舒适性较差。另外, 钢制散热器要求循环水的PH值必须是9.5-12.0, 这对温控设备和热计量设备会造成较大的损害并且在换水时或跑、冒、滴、漏时对环境有很大的污染。最后, 钢制系统容易生成氧化铁废屑将对热计量设备造成损害, 不利于热计量节能的要求。

4.3 小型锅炉直供系统

由于循环水的PH值必须是10.0-12.0, 所以这样的系统最好选用钢制设备。绝对不能使用铝制设备。

如果是中高端用户可选用钢压铸铝散热器代替钢制板式或钢制柱式散热器, 可得到较好的舒适性。

4.4 独立供暖系统

热源一般为燃气壁挂炉, 对循环水的PH值要求不高。

在这种系统中, 可靠性、舒适性、节能环保性最好的为铝制设备系统, 即选用压铸铝散热器、铝塑管或热水塑料管管材, 普通的铜制控制器。这种压铸铝散热器系统设计、安装、运行管理都简单, 使用寿命长, 性价比最好。

如果从价格考虑一定要使用钢制散热器, 则必须同时使用钢质的管材, 并且对循环水的水质进行处理。但这个系统的寿命是无法与上述的铝制设备系统相比的。

5. 运行管理

采暖系统的运行管理最主要的是要根据不同的系统进行不同的管理和控制;其次要严格控制跑、冒、滴、漏, 补水量必须控制在一定的水平;最后要坚持满水保养。非满水保养对各种设备都有损害, 但对钢制设备损害最大。

在管理以压铸铝散热器为主的铝制设备系统的运行中, 除了上述两点外, 主要对循环水的水质要进行定期检测, 在运行中不要对循环水添加任何的碱、盐和任何水质软化剂, 要监控PH值在6.5-8.5之间, 氯离子≦30mg/L。在第一次补水中, 可直接用自来水, 但要注意消毒用氯不能太浓。如果用作循环水中的自来水消毒用氯太浓, 则可将自来水放到容器中在空气里自然存放24小时, 将氯气散发掉即可。

在以钢制散热器为主的钢制设备的运行管理中, 满水保养非常重要, 并且要尽量将PH值调整到9.5-12.0之间。运行中的补水量一定要控制, 这直接关系到系统的寿命。

换热器节能技术的研究 篇9

对于管壳式的换热器中的管程的强化传热技术来说, 其传热技术的原理就是在对传热面的形状或者是管内的插入物进行改变来增加流体的湍流度以及对传热面的面积进行扩展, 这样就会强化传热, 并且也十分的节能。在管程的强化节能技术中会用到的元件发挥着重要的作用。带内凸肋的结构管, 这种结构管在管壁上有着内凸肋的结构, 现在对于螺旋的槽管和横纹管的使用比较广泛。

其中, 螺旋槽管的管壁通过光管的挤压而形成的, 同时处于管壁上的曹纹可以在有相变及无相变的状况下提高了管内及管外的传热系数。螺旋草在一定程度上促进冷凝膜产生了表面的张力场, 这样减薄了平均的冷凝液膜并且减少了冷凝的传热的热阻。横纹管的毛坯是有普通的圆管做成的, 并在管的外壁滚轧了垂直于轴线的凹槽, 这时管内会有环肋形成。在管内的流体经过环肋的时候, 在管壁周围会有轴向的漩涡形成, 这样就使边界层的扰动增大, 并且也有利于边界层的分离, 同时增加了热量的传递。等到漩涡即将消失的时候会经过别的横向的环肋, 这就产生了连续的涡流使得强化作用一直保持着稳定。这些就是带内凸肋的结构管的换热器的工作原理及传热的原理。这种结构管有着对双面进行强化传热的特点。在研究中发现, 在一样的流速之下, 横纹管比单头螺旋的纹管的流体阻力比较大, 但传热的性能较强。内翅片管使在经过比较特别的焊接工艺及设备的加工而形成的, 流体在它的管内部的换热的过程就是单项的强制对流的方式换热。它主要的特定就是能够在传热管的内部将面积扩大, 并对管内的传热镜子那个强化, 这样就提高了换热器的传热的性能。相比较光管来说, 它在一定程度上将馆内的流场及温度场的分布改变了, 这样就产生了能够强化换热的漩涡并使得流场的湍动能增大, 将换壁面周围的温度也大大的提高, 使得进一步的强热传热。在各种工况之下都会存在最佳流路管径比, 计算得出最佳的管径比在0.8左右, 这种管径比使得换热器的换热性能比相同管径下提高6%～11%, 并且空气侧的阻力减小2%。管内的插入物是以中被动的强化传热的形式。在低雷诺数或者是高粘度的流体进行传热的状况之下, 管内的插入物就会对气体进行强化, 这时低雷诺数或者高粘度的流体的传热效果变得更好。管内的插入物大体上包括以纽带式或半纽带形式, 强化旋流;以螺旋线及斜环片等形式, 促进湍流;球形体或者静态混合器等形式的置换型的强化器。管内的插入物的传热的原理就是, 形成了旋转流对边界层进行破坏, 在中心的流体和管壁的流体之间产生了置换的作用, 同时生成了二次流。缩放管的结构中包括多节渐缩段与渐扩段。它的传热激励即使缩放管的管壁的缩放, 使得流体的压力有了周期性的变化并且缠身漩涡对边界层进行冲刷, 使边界层减薄。在同等流的阻损失的情况下, 并在Re=1×104～1×105的范围之内, 它比光管增加了70%。

二、壳程节能技术

对于管壳式的换热器中的壳程的强化传热技术来说包括对管外的强化传热或对管内的支撑结构进行改变。对于改变传热管的外表面主要针对外表面加工出沟槽及多孔的表面。在外表面上带有沟槽的传热管, 主要的有螺旋的槽管和横纹管, 这两种管在上文中提及到, 都对强化管的外蒸汽的冷凝作用有着明显的效果。对于带有多孔的表面管, 由于表面比较粗糙, 这样就增加了汽化的核心, 使得泡核更容易沸腾, 沸腾时就会有强烈的对流给热。对于管内的支撑结构来说, 异形的折流板在结构形式和布置的方式上都可以对流体的速度和方式进行改变这样就减少了容易生成污垢的死角, 从而大大的提高了传热的效率。其中双弓形的折流板与具有一样间距或是缺口的单弓折流板相比, 压降下降了50%～70%, 对于传热的系数仅仅降低了20%～40%。空心环的支撑结构, 这种管壳式的换热器就是将直径比较小的金属管有一定的间隔进行布置在换热管的截面内, 使得对管束进行支撑并且大大的对流体的扰动提到促进作用。自支撑管, 这种结构在一定程度上简化了管束的支撑结构, 也在一定程度上对换热器的进错度有了很大的提高, 这种类型的管由于自身的刺孔膜片或螺旋线等的点接触能够支撑管子, 有组成了壳程的扰流元件, 这样就增大了湍流的速度, 一定程度上破坏了管壁上的流体边界层, 增大了传热的效率。

结语

当今, 换热器的优化节能技术主要采用强化传热的原件或者改进换热器的结构的方式。对于花热气优化节能技术来说, 要利用实验研究对其进行研究。在传热得到强化的同时, 有时流动的阻力也会增加, 流动的阻力会比换热的增加量大, 所以要注意对流体的阻力增加量进行控制。

摘要：在化工以及石油, 动力高耗能的产业部门中实测性与模型值的趋势对比界的换热器有着十分广泛的应用。本文主要介绍了在换热器的管程及壳程的基础上介绍管壳式的换热器的传热技术的原理和应用的范围, 同样的分析了一些强化传热的技术的优点和不足。同时提出了改进的措施和一些新思路。

关键词：换热器,管程节能技术,壳程节能技术,研究

参考文献

[1]李军.多种强化传热管的强化传热性能与流阻性能研究[D].广州:广州华南理工大学, 2000.

[2]吴慧英, 帅志明, 周强泰.凝结换热器采用螺旋槽管的强化传热研究[J].化工学报, 1997 (06) :626-629.

LED工矿灯散热技术研究 篇10

目前工矿灯主要还是以传统光源 (钠灯、金卤灯、白炽灯等) 为主, 传统光源具有耗能大、短寿命、含光污染、不环保等缺点。LED工矿灯与传统类似灯具相比, 具有节能环保的社会效益。LED工矿灯比白炽灯节电约60%, 且LED工矿灯不含有害金属, 不含红外线和紫外线, 没有辐射, 不会产生光污染废弃物可回收利用, 属于典型的绿色环保照明产品;LED灯珠具有自身无频闪、无紫外线辐射、热辐射较低、能耗低等特性, 加上应用光扩散技术消除眩光, 使之成为真正的节能、环保、健康光源[1]。然而随着LED工矿灯的广泛应用, 人们对其功率也提出了更高的要求。功率的不断增大, 使得LED工矿灯散热强化成为保证其产品质量必须考虑的因素。如果热量不能有效传导出去, 将会严重影响LED工矿灯具的使用寿命[2]。另外, 对于应用方来说, 节约成本也无法做到, LED工矿灯的推广及发展也会受到制约, 这就意味着大功率LED工矿灯的散热是必须首先解决的问题。

当前的散热主要有液体冷却、热电制冷、自然对流和热管等方式[3]。而其中热管[4]传热迅速, 温差小, 特别具有非常出色的均热能力可有效消除“热点”, 使散热面温度均匀, 广泛应用于分散热源的温度控制。为此, 本文设计了一款新型烧结热管式的散热模组, 并对该模组进行了应用于LED工矿灯数值模拟研究, 与实验数据进行比较分析, 探讨所设计散热方案是否能够满足LED工矿灯在不同环境下的散热需求。

1 实验

实验以散热模组作为研究对象, 散热模组由翅片组与U型烧结热管组合而成。其实物图见图1, 具体尺寸如表1所示。

实验中对基板底部用电热铜块进行加热测试, 加热铜块加热功率为50W。采用自然对流方式冷却。实验中采用安捷伦34970A和K-OMEGA热电偶 (精度为±0.5℃) , 分别置于热管的不同位置对热管的各个部位进行温度变动记录, 具体位置如图2所示。实验在26℃的室温下进行, 待温度曲线平稳后停止实验。

2 数值模拟与理论分析

2.1 物理模型

为了分析该散热模组在不同环境温度下的散热效果, 本文应用Ansys专业热分析软件, 对散热模组的性能进行数值模拟。运用Gambit软件对模型进行网格划分, 其几何结构按实际尺寸绘制, 具体如图3所示。散热模组底板和翅片材料均为铝材。仿真中, 在不影响最终比较结果准确性的前提下, 为了运算方便, 进行下假定:

(1) 忽略散热铜块分布对热量分布的影响, 散热模组产生的热量作为热流密度值施加在铜基板上表面;

(2) 因辐射散热对LED灯散热的影响较小, 且各个方案的散热器外形结构和表面性质均相同, 所以, 不考虑热辐射对散热的影响;

(3) 假定不同部件的接触面为光滑的理想接触面, 即不考虑接触热阻的影响;

(4) 假定导热物体边界面的温度、环境温度和热流密度为常量;

(5) 假定换热系数h是恒定的, 参考空气中自然对流情况下对流换热系数的常见值, 假定h=9 W/ (m2·K) ;

(6) 假设外界环境温度为26℃, 压力为常压101 325 Pa;

(7) 假定热管为导热系数超高的固体[5]。

2.2 初始化条件与边界条件

(1) 初始化条件:假设流体在壁面上无滑移, 流体物性参数为常数, 翅片上为恒温, 在计算过程中不考虑系统的浮升力和辐射换热, 散热器放置在完全敞开的空间。

(2) 流场边界条件:假设流体为定常连续不可压缩流体, 其性质为恒值。流体与固体接触的边界各处的流速全为零, 进口速度均匀。

(3) 热流条件:热源为恒定热源50 W。

3 结果与分析

3.1 实验结果与分析

如图4所示, 为散热模组受热稳定后的温度分布图。横坐标为时间, 纵坐标为温度。近似取基板三个测试点平均温度为Tb, 热管两个测试点平均温度为Th, 翅片组三个测试点平均温度为Th以及空气温度为Ta。随着加热功率的输入, 热量不断积累, 温度曲线呈上升趋势。当输入的热量与散发的热量逐渐平衡时, 温度曲线趋于平稳。如图4所示, 当室温为26℃, 在50 W的输入功率下, 实验中散热模组的最高温度大约为58.4℃。该热流密度下, 散热模组的散热效果良好, 能够很好地满足LED工矿灯散热需求。

3.2 模拟结果与分析

如图5所示, 为散热模组模拟稳定后的温度分布图。散热模组表面的温度在35~58℃之间。从中可得到散热器各个位置的温度。模拟结果中, 散热器的最高温度不超过56℃。与实验中得到的最高温度较为吻合。

3.3 数值模拟结果与实验对比

为了验证模型的可靠性, 模拟结果与实验数据进行了进一步的对比。如表2所示, 分别取实验与模拟结果中的基板温度、热管温度与翅片温度进行比较。从表中可以看出, 所选位置的实验与模拟结果相当接近。三个位置的温差分别为1.53℃、1.03℃与1.52℃。进一步计算可得三者的相对误差为2.76%、2.36与4.01%。从中可以看出, 模拟结果与实验结果相当吻合, 该模型能准确计算出散热模组的温度分布, 可为LED工矿灯的散热设计提供理论指导。

4 结论

本文对一种应用于LED工矿灯的散热模组进行了数值模拟与实验研究。结合两者对比的结果, 可得到以下主要结论。

(1) 根据实验结果, 在50 W的输入功率下, 散热模组基板上的最高温度为58.4℃。能够很好地满足LED工矿灯散热需求。

(2) 与实验结果对比, 模拟结果与实验数据相当吻合。所选温度点实验与模拟温度差的最大相对误差在4.01%以内。该理论模型可靠性较高, 可为工矿灯的散热设计提供理论基础。

参考文献

[1]刘一兵, 黄新民, 刘国华.基于功率型LED散热技术的研究[J].照明工程学报, 2008, 19 (1) :69-73.

[2]郑同场, 李炳乾, 夏正浩.半导体制冷的大功率LED模组散热模拟[J].半导体光电, 2010, 31 (2) :210-212.

[3]孙磊, 张红, 许辉.LED筒灯复合结构热管散热器的数值模拟[J].半导体光电, 2011, 32 (2) :224-227.

[4]汪双凤, 胡艳鑫, 陈金建.应用于LED散热的平板热管传热特性[J].工程热物理学报, 2012, 33 (8) :1371-1374.

汽车散热器材料应用的分析 篇11

【关键词】汽车散热器;材料应用

汽车发动机大多采用强制循环式水冷系统。散热器是汽车发动机冷却系统中起核心作用的部件。散热器性能的好坏直接影响汽车发动机的散热效果,进而对汽车的动力性、经济性和可靠性会产生很大影响。随着汽车发动机性能的不断强化,热负荷愈来愈高,对冷却系统的要求也越来越高,人们对包括散热器在内的发动机冷却系统的研究愈加重视,新技术、新材料不断涌现,在保证散热器具有足够散热能力和强度的前提下,体积更小、重量更轻、散热效率更高成了散热器发展的必然趋势。

１．散热器结构型式及其对材料要求

散热器由冷却用的散热器芯部、进水室和出水室三部分组成。冷却液在散热器芯内流动,空气从散热器芯外高速流过,冷却液和空气通过散热器芯部进行热量交换。理想的散热器应具有尺寸小、重量轻、制造工艺简单、结构可靠耐久、散热性能好、风阻小等优点。

1.1散热器及其芯部的结构型式

汽车散热器的结构型式可分为直流型和横流型两大类。直流型散热器的进出水室分别位于散热器芯部的上下方,由于散热器芯部垂直布置,因而高度尺寸较大。直流型散热器是大多数汽车发动机采用的型式,如桑塔纳1.8 L、奥迪1.8 L、富康1.36 L等轿车发动机均采用了直流型散热器。横流型散热器采用散热器芯部水平布置,用左右两侧的水室替代上下结构的水室,冷却液水平流动。这种散热器水平尺寸大,在一些发动机罩盖较低的车型上应用,如国产依维柯轻型车等。

散热器芯部应具有足够的通流面积,让冷却液通过;同时也应具备足够的空气通流面积,让足量的空气通过以带走冷却液传给散热器的热量;还必须具有足够的散热面积,来完成冷却液、空气和散热片之间的热量交换。因此,散热器芯部是散热器不可缺少的核心部件,起主要的散热作用。

散热器芯部的结构型式主要有管片式和管带式两大类。

管片式散热器芯部是由许多细的冷却管和散热片构成,冷却管大多采用扁圆形截面,以减小空气阻力,增加传热面积。据测算,扁圆铝管的散热效率可比圆铝管提高20%~25%。为了强化冷却效果,在冷却管外套上布置了许多金属散热片,以增加空气传热面积和提高散热器本身的刚度和强度。管片式散热器散热面积大、气流阻力小、结构刚度好和承压能力强,但制造工艺比较复杂,多用于工况较差的载重车辆及工程机械上。

管带式散热器是由波纹状散热带和冷却管相间排列经焊接而成。与管片式散热器相比,管带式散热器在同样的条件下,散热面积可以增加12%左右。另外,散热带上开有扰动气流的类似百叶窗的孔,以破坏流动空气在散热带表面上的附着层,提高散热能力。开百叶窗波状带的散热器传热效率同普通平片散热片相比可提高160%。由于这种形式的散热效果好,便于制造,质量轻,故被广泛采用,但其结构强度和刚度不如管片式,多用于轿车及轻型车辆上。

1.2散热器对材料的要求

散热系数是评价散热器散热性能优劣的重要参数,影响因素众多,其中散热器材料的导热性能和焊接质量对其影响很大。提高散热系数可以改善散热效能,使散热器以较小的尺寸和质量达到上佳的散热效果。因此,导热性能对散热器材料至关重要。

散热器的工作条件恶劣,一般位于汽车前端迎风处,不仅要经受风吹雨淋和汽车排出的废气以及沙土、泥浆的污染,而且还要承受反复的热循环和周期性振动。另外,散热器内长期流动着冷却液,其中可能混有腐蚀性及有害的成分,对散热器有锈蚀及腐蚀作用。因此,为保证散热器可靠的发挥散热作用,对散热器材料性能有如下要求:

(1)具有良好的导热性能。

(2)具有一定的强度和较强的耐腐蚀性。

(3)良好的加工性能及钎焊性能。

(4)良好的经济性。

2.常用散热材料

目前,常用的散热器材料主要有铜、铝和工程塑料等。

2.1铜

铜是重要的有色金属,也是导热性最好的金属材料,具有优良的成型加工性、可钎焊性和耐蚀性,长期以来一直作为汽车散热器的首选材料。铜的资源问题和价格问题一直是困扰铜散热器应用的主要原因。铜在工业上应用极为广泛。随着工业的不断发展,铜的消耗量日益增加,但因铜储量有限,随着消耗量的不断上升,价格居高不下,因而铜散热器的成本一直难以大幅下降。

2.2铝

随着汽车技术的发展,节约能源和环境保护等方面的原因对汽车轻量化的要求越来越迫切。汽车材料的发展趋势是轻量化、高性能和强功能,散热器材料也是这样。人们一直在寻找价格低廉、性能优良的材料来取代铜。近十几年来,散热器新材料的应用有了很大的进展,尤其是在铝散热器方面发展速度很快。

铝是汽车工业使用较多的金属材料,也是汽车轻量化的首选材料。铝的最大优势是质量轻,比重仅为铜的三分之一,相同体积情况下,质量可以大大降低;铝资源远较铜丰富,成本也远低于铜;虽然铝的热传导率较铜低,仅为铜的60%,但由于铜散热器存在热传导率更低的锡保护层,使得铝散热器的热效率反而要高于铜散热器;另外,铝还有良好的铸造加工性能。虽然铝散热器具有质量轻、原料成本低、散热性能好等优点,但其焊接工艺性差、生产设备投入大是长期难以解决的问题,限制了铝散热器的广泛应用。

目前,铝散热器比较成熟的生产工艺有两种:一种是机械装配式,此种形式生产的散热器冷却水管是圆形或椭圆形,采用机械压制而成,生产成本较低,但是由于这种工艺受自身形状的局限性,工作效率不高;另外一种是钎焊式,这种形式生产的冷却水管是扁状的,不受散热器自身几何形状的限制,采用焊接一次成型,工作效率高。

由于铝散热器的重量轻,并能做到与汽车同寿命(约5年),因此得到迅速推广。在欧洲和美国应用广泛,主要用于使用条件较好的城市小轿车和轻型车。北美部分地区开始在大客车、轻型货车上使用。但是,铝散热器较差的耐蚀性,使得铝散热器在使用条件差的重型货车、工程车辆及军用车辆上,则难于使用。

国内汽车散热器仍以铜散热器为主,铝散热器仅在轿车等小型发动机上应用较广泛。我国于1992年引进第一条铝散热器生产线以来,现已有多条生产线,开始是机械装配式,后来引进钎焊工艺生产线。但同国外相比,总体上生产工艺落后,生产效率低。

2.3工程塑料

为了减轻质量,提高耐腐蚀性和节约有色金属,许多新材料开始应用在散热器上。在实际应用中,散热器上下水室材料逐渐由工程塑料取代了铜材。常用的是用加入玻璃纤维的尼龙66(PA66)注塑加工成散热器的水室,并以机械方式与散热器芯部接合装配,通过橡胶密封圈使接合面上达到良好密封,同时还起防振作用。另外,尼龙66具有非常优良的耐腐蚀性,对散热器十分有利;良好的可塑性使得散熱件轻巧而美观;耐高温性可使散热器的底盘保持完好而不会产生任何弯曲,不会减少散热器的气体流动。

目前,国内生产的轿车已广泛使用铜塑或铝塑结构的散热器,如夏利1.3 L轿车、桑塔纳轿车等。这种散热器质量轻,生产工艺简单,可以注塑加工一次成型,成本较低。■

【参考文献】

［１］杨连生.内燃机设计(第一版)[M].北京:中国农业机械出版社,1981.

发射装置电路盒散热技术及其应用 篇12

导弹发射装置是连接飞机航电武器系统和空空导弹的桥梁和纽带,起着承上启下的作用。而作为发射装置中的电路盒,介于飞机航电系统与导弹之间,与航电系统配合,通过信息交联完成对导弹的识别、供电、准备和发射,因此电路盒能否正常工作是直接决定导弹能否顺利发射的关键。

1 散热性对电路盒性能的影响

高温对大多数电子元器件将产生严重的影响,它会导致电子元器件的失效,进而引起整个设备的失效。据统计,电子产品的失效有55%是温度超过规定值引起的。导弹发射装置电路盒的主要失效形式就是电子元器件热失效。功率器件热设计是电路盒结构设计中不可忽略的一个环节,直接决定了产品设计的成功与否,良好的热设计是保证电路盒运行稳定可靠的基础。

2 电路盒的热设计

在电路盒的内部,功率的损失一般都以热能的形式散发出来。散热设计的主要依据是热力学第二定律:只要有温度差存在,热量总是自发地从高温物体传向低温物体。热学设计应包含以下3方面内容:①通过版图和结构设计,使元器件在工作状态下产生的热能量均匀散布在整个有源区内,尽量消除可能形成的热斑,大功率器件可采用计算机辅助分析技术确定温度的二维或者三维分布,通过计算机辅助设计技术设计多胞并联图案、非均匀镇流电阻、输入端起功率均分作用的匹配网络等;②尽量降低器件的热阻和峰值结温,提高器件的工作寿命;③器件内部结构材料的热匹配设计。

2.1 热设计的计算

电路盒中的热量主要由电源变压器、集成电路(大功率器件)等产生。设计之初,首先计算电路盒中将会产生的热量大小,同时借鉴以往型号的经验对电路盒进行包括散热部分在内的结构设计,并利用试制样机进行温度验证。如果不符合设计要求,可采取增加散热面积、提高散热路径的热传导系数或改变元器件布局设计等措施。

以某型导弹为例,该导弹工作时的所需电压为±27 V,而载机提供的电源为400 Hz、115 V,因此导弹工作时所需电压通过发射装置中的电路盒进行降压转换。设计采用线性电源,即将机上400 Hz电源经降压、整流、滤波、稳压,转换为直流电源供导弹使用。电路盒降压原理如图1所示。

变压器功率为50 W,该降压过程是电路盒中热量的主要来源之一。整个电压转换电路中的主要发热器件是4T1变压器、4NJ1和4NJ2三端可调稳压器,其次是印制板电路中使用的大功率电容和二极管等。

目前工程上一般使用FLOTHERM专业电子热分析软件来仿真模拟电路盒中热量的产生。首先建立几何模型,然后设定电子设备的几何参数、发热元件的发热功耗、电子设备的材料物性参数(热传导率、密度和比热容等)、工作环境参数(压力、温度),最后划分网格,经过后置处理得出热源程度及分布区域。

2.2 热设计的实现方式

电气设备的散热方法有自然冷却法、强迫空气冷却法以及直接液体冷却法等。电路盒的外形设计主要是根据发射装置壳体内腔提供的可用空间来确定其外形尺寸,进行结构设计。因发射装置壳体内腔空间结构狭小,同时电路盒还要应对各种复杂气候环境的影响,因此对结构的密封性及可靠性提出了严格的要求。

基于上述因素,电路盒的散热方式只能采用自然散热。自然散热有3种基本方式,即热传导、热对流、热辐射。本文主要从新型集成电路的应用、电气结构布局、散热辅助材料的采用3方面入手来实现电路盒的散热。

2.2.1 新型集成电路的应用

电路盒具有体积小的特点,因此需要尽量减少印制板(简称PCB)的封装面积。随着电子技术的发展,导弹发控系统的电路已由原来的模拟电路逐步转变为数字电路,并且随着芯片制造工艺的不断发展,利用元器件集成等技术使得芯片性能得到了增强。本文设计的新产品最大功耗和以前基本相同,发热量也几乎没有变化,但随着PCB板面积的缩小,热密度却增大了很多。

2.2.2 电气结构布局

采用自然冷却方法时,电路盒内的电子元器件布置具有重要意义。由于在外罩内存在垂直温度梯度问题,因此电气结构布局必须遵守以下几项基本规则:

(1)应将温度敏感的元器件放在底部,绝不可直接置于发热元器件之上。

(2)元器件的布置应按其允许的温度进行分级,温度较高的应该放在温度较低的元器件上。

(3)应该按计算的传热系数来确定元器件的排列方向,以获得最佳的自然对流。一般认为应把元器件最长的尺寸垂直放置。

(4)垂直安装的元器件在水平方向的排列应交错布置。

(5)大的热源所处位置不应与其他元器件成一条垂直线,并在水平方向上的距离应尽可能大。

(6)大的热源一般应尽可能靠近温度最低的表面,并与表面有传导接触。温度最低的表面一般是金属外壳的内表面、金属底座及金属支架。

(7)预先确定导体的横截面并尽量缩短特定区域内的热通路,防止热量流入不应进入的通路。

散热方式可分为主动散热和被动散热两种。由于发射装置电路盒具有密封性能要求及空间狭小的特点,因此其散热方式一般采用被动式。一般在变压器顶部设计安装有散热片,在安装时散热片应紧贴需要的散热部位,以便吸收热量并增大散热表面积实现散热。散热片通常采用整体加工出的平行肋片式形状,所选材料主要有导热性能良好的铜、铝和钢等。某型电路盒散热片的结构示意图如图2所示。该散热片用锯齿刀加工出深约10 mm的平行槽,增大了有效散热面积,加快了变压器热量的散失。

印制板组装件之间的间距一般应控制在19 mm～21 mm之间,图3为某型电路盒印制板装配示意图。该型电路盒从下到上依次安装4块继电器印制板,通过散热性能好的铜材立柱固定,良好的间距使继电器印制板产生的热量能够有效辐射出去。

所有传导热量的接触面(如底板、前后端盖、外罩等)应该平整光滑,并采用导热系数高的金属材料。考虑到材料的重量因素,首先推荐选用材质轻的铝合金板材。

2.2.3 辅助材料

选用导热性能良好的辅助材料能够有助于热量的散失,有效提高散热性。对高低不平的导热面可以采用导热绝缘海绵橡胶板作为传热层;在功率器件、散热器和绝缘片之间的所有接触面处应涂导热膏或加导热绝缘硅橡胶片。采用聚四氟乙烯及云母之类的柔软和可弯曲的材料可以部分补偿表面质量缺陷,在电路盒装配接触面涂抹硅有机树脂合成物可大大减少接触热阻。另外在电路盒装配时,因接触热阻随零件表面平滑度和旋紧螺钉所施加的力矩的不同而有差异,因此各连接部件在安装固定时应按规定的力矩或接触压力固定,使其能够在接触面提供有效热阻。

3 结语

通过正确恰当的热分析仿真能够在设计初期及时发现电路盒中热源的产生部位及大小,在结构布局时采取有效的应对措施。通过散热技术在发射装置电路盒设计装配过程中的应用,提高了电路盒工作的可靠性,使得产品性能得到了更好的发挥。

摘要：设计电路盒结构时应使其产生的热量尽可能少,并可将工作中所产生的热量尽快散发出去,使电路盒的温度控制在正常工作范围内。阐述了散热性对发射装置电路盒工作性能的影响,分析了电路盒中热量的产生过程。通过散热技术在发射装置电路盒设计装配过程中的应用,提高了电路盒的可靠性。

关键词：发射装置,电路盒,散热,热设计

参考文献

[1]龚庆祥.型号可靠性工程手册[M].北京:国防工业出版社,2007.

[2]布朗.开关电源设计指南[M].徐德鸿,译.北京:机械工业出版社,2004.