板翅式換熱器的翻譯.doc

1、山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計外文文獻及譯文中文譯文：開槽板翅式換熱器的強制對流換熱模型分析摘要：本文主要分析開槽板翅式換熱器相對于普通換熱器的在強制對流冷卻速率上的優(yōu)化模型。通過分析換熱器在工作時所開槽的尺寸以及位置來優(yōu)化換熱器的尺寸。實驗過程得出了各種槽型所對應(yīng)一系列雷諾數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)與推薦數(shù)據(jù)相比較得出，這種近似模型與普通傳熱器的速率有12%rms的區(qū)別。字母含義：a = 通道表面積，m2 aa = 流體可接觸部分面積，m2ao = 散熱器流體接觸部分面積，m2 b = 通道寬度，mg = 重力加速度，m/s2 h = 平均熱轉(zhuǎn)移系數(shù)，w/m2kh = 板翅片高度，m k = 換熱器熱傳導(dǎo)率，w

2、/mkkf = 流體熱傳導(dǎo)率，w/mk l = 基板長度，mm = 質(zhì)量流率，kg/s n = 組成模型的結(jié)合參數(shù)，n = 換熱器數(shù)目 ns = 換熱器槽數(shù)nub = 努柵數(shù)， (qb)/(kfat) nui = 理想努柵數(shù)， = 1p = 節(jié)距，m pr = 普朗特數(shù)， /q = 總體熱交換速率，w r = 熱阻， 1/ha, oc/wreb = 雷諾數(shù)， ub/ r eb* = 通道雷諾數(shù)， reb (b/l)s = 槽寬，m ta = 入口處溫度，octs = 基板溫度，oc tf = 薄膜溫度， (ts + ta)/2,oct = 溫度差， ts ta,oc t = 換熱器翅片密度，m

3、u = 通道流體平均速度，m/s ua = 實際速速，m/sw = 基板寬度，m希臘字母： = 熱擴散系數(shù) = 熱膨脹系數(shù) = 換熱器效率 = 動粘度下標：dev = developing fd = fully developedlb = lower bound ub = upper bound導(dǎo)論：板翅式換熱器通常用于增強空冷微電子和電力設(shè)備的熱交換能力，他不僅能減小熱阻，而且在傳熱過程中能夠增加與空氣的接觸面積來降低各個部分的溫度。該板翅式換熱器如圖1（a）所示，這種換熱器是當(dāng)前使用最廣泛的一種，它是將一系列薄的板翅連接在一塊導(dǎo)熱板上組成的。這樣，在相鄰兩塊板翅之間形成了強制對流換熱，且氣

4、流的方向與基板的方向平行。(a)板翅式換熱器 (b)開槽板翅式換熱器圖1 散熱器幾何示意圖如圖1（b）所示，在板翅上開槽能夠改善板翅式換熱器的換熱特性，在翅片上開間隔相同的槽后，每一個翅片上都會產(chǎn)生新的熱邊界層，從而減小了邊界層的平均厚度且增加了換熱器的平均效率。但是，開槽會導(dǎo)致對流的可用面積的減少，使換熱器的總傳熱量降低。因此，理想的開槽板翅式換熱器的設(shè)計是要在增強換熱器換熱效率的同時要考慮到槽對對流面積的影響。為了能夠優(yōu)化換熱器的參數(shù)，包括槽的相對尺寸和位置，我們建立了一個分析模型，在這個模型中，假設(shè)換熱器的換熱效果是由槽的幾何形狀和散熱片的面積決定的。這種設(shè)計方法在用于設(shè)計初期的參數(shù)和方

5、案研究中時，免去了大量的模擬和樣機試驗，大大減少了成本和設(shè)計周期。目前，基本沒有關(guān)于開槽板翅式換熱器相關(guān)文獻，并且也沒有實驗所得的數(shù)據(jù)來闡述這個問題。本文旨在開發(fā)一種增強開槽板翅式換熱器的平均換熱速率的模型分析，從而實現(xiàn)流體從整體流動到開槽翅片間流動的二次開發(fā)。實驗過程中，通過分析不同大小和間距的槽得出一系列數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)能夠證明這種模型的優(yōu)越性，且得出一個重要結(jié)論，在翅片上各個部分的溫度是不同的。模型建立課題描述如圖1（b）所示，本設(shè)計旨在研究在板翅上開了槽的板翅式換熱器空氣對流換熱特性，換熱器是由n塊平行的熱傳導(dǎo)率為k的板翅連接在一塊矩形板上組成，其尺寸如圖一標注。相對較厚的地板導(dǎo)熱系數(shù)很大，

6、其熱阻可以忽略，則換熱器工作時我們假設(shè)基板為等溫板，其下表面以及邊緣處均是絕熱的，這樣，換熱器所有的熱量傳輸是通過翅片間的空氣對流完成的。在普通板翅式換熱器的翅片上從翅片上端到基板之間以固定的尺寸和間隔開槽，這樣，各個翅片被切開而其剩余部分僅與基板連接。如圖2所示，槽的具體尺寸和位置是由節(jié)距p和槽寬度s兩個幾何參數(shù)決定的。由基板的尺寸很容易確定節(jié)距p和槽寬s，有如下公式：0 p/l 1， 0 s/p b。當(dāng)h b時，該模型的精確度降低，這時基板與導(dǎo)流罩的影響是不可忽略的。這些獨立的和非獨立的無量綱變量是由翅片寬度b定義的特征長度，雷諾數(shù)reb定義為： (1)平均傳熱速率用無量綱努賽爾數(shù)來表示，

7、公式如下： (2)在這里，參數(shù)ts和ta是分別是被冷卻物和入口處空氣的溫度，而q是單一通道的總傳熱效率。把每個通道的表面積a定義為槽寬的無量綱函數(shù)，表示為： （3)根據(jù)空氣特性估算薄膜溫度， （4）開槽板翅式換熱器的分析模型是建立在我們在前文建立的翅片模型的基礎(chǔ)上的，在以下的分析中，我們對此進行詳細的總結(jié)概述。普通翅片式換熱器模型早在1999年，teertstraet等人利用和前一部分提到的相同的假設(shè)建立了利用強制對流換熱的方法冷卻換熱器翅片的模型。該模型的過程分為兩步，首先需通過確定換熱器的總傳熱效率和單個平行通道的換熱效率的關(guān)系，然后利用兩者的關(guān)系來估計換熱器的總效率。第一步需要確定在強制

8、對流換熱時，兩平行板翅間的溫度關(guān)系，根據(jù)熱力動力學(xué)方程，確定其雷諾數(shù)公式： （5）而在1999年teertstraet等人以確定個參數(shù)如下： （6） （7）而通道雷諾數(shù)定義為： （8）采用漸進式解決方案，結(jié)合公式（5）計算得出雷諾數(shù)和瑞利數(shù)的關(guān)系曲線圖，如圖3所示。綜合考慮通道數(shù)為三時其參數(shù)的變化，最大變化量為2%，最小為1%。圖3 通道模型圖在大多數(shù)換熱器的設(shè)計中，如果提高了換熱面積，換熱器的效率就會相應(yīng)的降低。如果翅片過高過薄，就會減小熱傳導(dǎo)率，這會導(dǎo)致翅片與基板之間的溫度差增大，所以降低了翅片的效率。這一結(jié)論是強制對流換熱時最主要的考慮因素，與材料的傳熱效率相比，氣體對流在換熱中起著主導(dǎo)

9、作用。teertstraet等人通過翅片分析來解釋這些結(jié)果，并將這一結(jié)果應(yīng)用到了換熱器翅片問題中。假設(shè)每個通道是等溫的，雷諾數(shù)為理想狀態(tài)下的雷諾數(shù)，則翅片的效率定義為： （9）其中nub是包括翅片效率在內(nèi)的換熱器總效率。翅片效率可定義為如下的無量綱參數(shù)： （10）因此，具有n個翅片的板翅式換熱器其總的傳熱效率q為： （11） （12）teertstraet等人通過板翅式換熱器來進行試驗，該模型的相對誤差在2%rms之內(nèi)。開槽翅片式換熱器模型與普通板翅式換熱器不同，開槽翅片式換熱器的求解是一個復(fù)雜的問題，不具有確切的方法，而一般是通過求極限的方式求其近似解。但我們可基于普通換熱器建立符合一定上下

10、限的模型。上下限的定義是根據(jù)模型的幾何相似性來定義的，從而把結(jié)果限定在一個特定的范圍之內(nèi)，要求所有換熱器的結(jié)果都符合這一界限。開槽翅片式換熱器的固有使用原則是每個翅片上都應(yīng)產(chǎn)生新的熱邊界層，從而降低平均邊界厚度，增加平均換熱效率。換熱層的上下邊界根據(jù)換熱器的邊界層的變化而變化的。下限值與新的熱邊界層形成的位置有關(guān)，是由較薄的邊界層的厚度和較低的換熱器效率決定的。而上限值是在新的溫度和流體邊界層在每個翅片處形成時決定的，與上述結(jié)果無關(guān)。上下限的確定模型是建立在普通翅片換熱器模型的基礎(chǔ)上的，下面我們做一下詳細介紹。下限：在兩通道之間沒有新的溫度邊界層形成時開槽換熱器的效率為效率下限值。它的大小與通

11、道長度以及翅片的總長度有關(guān)，如圖四所示，用公式表示如下： （13）這里的ns表示翅片上所開的槽數(shù)。如圖4（b）所示，翅片上所開的槽為交錯式排列，lb是由通道每一邊所有翅片平均長度決定的。當(dāng)換熱器長度較長，即 l時，槽數(shù)可大約由公式ns=l/p來估算，推導(dǎo)出如下的下限長度表達式： （14）基于這個新的更小的下限長度值，可定義普通翅片式換熱器的兩個參數(shù)如下： （15） （16）把這些表達式帶入到翅片式換熱器計算公式中得： （17） （18） （19）上限：與下限的定義不同，當(dāng)換熱器的每一翅片形成獨立的對流層時，換熱器的效率定義為上限值。這一極限值主要是由兩翅片間的通道決定的，如圖4所示。其等效長度

12、的大小與單一翅片的長度有關(guān)，公式如下： （20）當(dāng)用無量綱槽寬和槽高來表示這一參數(shù)時，公式變?yōu)?（21）開槽交錯排列時翅片間的距離b是線性排列時的2倍。（a） 線性排列槽（b）交錯排列槽圖4 上限值與下限值模型如在下限模型中所示，換熱器的下列兩個參數(shù)是由翅片長度定義的，公式如下： （22） （23）把這些上限參數(shù)帶入到模型進行計算得當(dāng)槽線性排列時的表達式如下： （24） （25） （26）在上限值的計算中，用2b代替上述公式2426中的b即可。實驗方法：實驗中堆多種市售散熱片模型的使用范圍提出的槽間距和寬度進行了測試，得出如表1所示的結(jié)果。表1 實驗測試結(jié)果實驗次數(shù)p/ls/p開槽方式10.0

13、590.54線性20.110.5線性30.220.5線性40.440.5線性50.220.5交錯60.440.5交錯散熱片成對的固定在后端，鉛筆和兩個300瓦加熱器被壓到在界面之間的底板與鉆孔配合。由于此配置是對稱的，假設(shè)換熱器所有的熱量消散是由兩者之間的平均分配的。溫度測量是用5萬t型銅康銅連接到福祿克赫利俄斯熱電偶數(shù)據(jù)記錄器上進行的?；鍦囟鹊臏y定采用附著在散熱片的一個基板在4熱電偶由t1 - t4的位置顯示，如圖五所示。這些熱電偶分別位于接近和遠離熱水器，這樣對他們的測量值的算術(shù)平均數(shù)將提供一個基板溫度ts的平均代表值。在測試的讀數(shù)小于15的平均溫度，驗證了一個統(tǒng)一的基板溫度的假設(shè)。如圖

14、5所示，為了盡量減少組裝在換熱器中的一個樹脂玻璃護罩對換熱器效率的影響。該裝置的內(nèi)部尺寸均在一對散熱器的每個通道的兩側(cè)，而基板邊緣被縮小，以減少傳導(dǎo)損失。導(dǎo)流罩和散熱器總成是懸浮在一個垂直的、開路300毫米300毫米的風(fēng)洞試驗段的中心，將導(dǎo)流罩和試驗段的空格被填滿，以防止繞行。流速的量測利用dantec熱線風(fēng)速儀接收器對上游約200毫米的換熱片測量，測試是在一個功率等級上，為q =500瓦，有效地速度值的范圍為ua= 2，3，4，5，6，7，8米/秒，每個穩(wěn)態(tài)測試允許達到了3- 4小時內(nèi)，并對結(jié)果進行記錄測量，在15分鐘的時間內(nèi)保持不變。圖5 實驗器材圖在散熱器的模型進行了泄漏測試，每一個真空

15、的環(huán)境和結(jié)果被用來減少對流泄漏效應(yīng)試驗。在所有情況下，泄漏成分的相對幅度小于1的總熱量傳遞，與在強制對流應(yīng)用程序的預(yù)期相符合。為了比較與模型的預(yù)測范圍的測量值，必須轉(zhuǎn)換在前面定義的無量綱參數(shù)。通過簡單的連續(xù)性之間的關(guān)系得出散熱器翅片間通道中的平均速率與速度的方法： （27） 這里的aa和ao分別是流體入口面積和翅片面積。而通道中的流體的速度可用有公式（1）中所定義的雷諾數(shù)來表示，數(shù)值大小是由薄膜屬性決定的。用換熱器總的產(chǎn)熱效率q除以每一邊的通道總數(shù)n，其中包括兩個不完整通道之間的翅片和導(dǎo)流罩，得出每通道的熱傳輸速率。這個值的大小也是通過無由先前定義的無量綱努塞爾數(shù)確定的，表達式如下： （28）

16、為了探討開槽對流增強和表面面積的減少兩者之間影響，我們定義熱電阻r如下： （29）h是換熱器的換熱系數(shù)，它的大小與努賽爾數(shù)的定義有關(guān)， （30）圖6給出了所有的開槽方式以及在不同的雷諾數(shù)下所得出的實驗數(shù)據(jù)。a圖表示線性開槽且當(dāng)reb的只在40到180之間時的雷諾數(shù)的值。與線性槽相比，交錯開槽對換熱器的效率的影響可忽略。圖6 開槽翅片式換熱器的實驗結(jié)果圖模型驗證：我們所建立的模型在確定的努塞爾數(shù)和開槽方式下的實驗數(shù)據(jù)圖如圖7所示，其中包括所有涉及到的數(shù)據(jù)，有上限以及下限的極限值等。由于我們值得出了在有限范圍內(nèi)的s/p的值，所以不能精確的確定槽間距以及寬度來計算reb以及表面積。正如圖6（a）、（b）所示，換熱器的熱阻與對流強度以及換熱面積的大小有關(guān)，得出了在一定條件下的reb的最優(yōu)值。若需要其他的實驗數(shù)據(jù)，可通過改變s/p的值獲得最佳的槽間距以及槽寬，得出新的數(shù)據(jù)。實驗總結(jié)：本實驗建立了測量開槽翅片式