利用傳熱學在肋片散熱的改良

1、利用傳熱學在肋片散熱的改良摘要：本文首先從傳熱學的基本概念出發(fā)， 傳熱學的普適性不僅表現為在能源動力、石油、冶金、化工、交通、建筑建材、機械、食品、 輕工、紡織、醫(yī)藥等傳統(tǒng)工業(yè)部門中，而且傳熱學的理論和技術在生產、科學研究等領域也 得到了廣泛的應用。 傳熱學理論的應用解決了決定這些部門生產過程的熱工藝技術， 對一些 關鍵技術的解決起了重要的甚至是決定性的作用。暖氣片專用管行業(yè)發(fā)展很快，但是市場存在的一些問題不容忽視，如市場無序競爭、產品質量下降、創(chuàng)新乏力等。于是如何選擇暖氣片的肋片，成為了暖氣片專用管行業(yè)的核心問題。在這里，我們具體研究材料的選擇對于肋片散熱優(yōu)化設計的影響。通過對金屬與非金屬材

2、料的肋片的研究，對材料導熱率及材料價錢等方面的綜合考慮，我們認為，現用的鋁合金型散熱器相對來說是比較好的一種散熱器，使用范圍也很廣泛。在全球經濟不景氣、國際市場持續(xù)低迷的情況下，我國暖氣片專用管行業(yè)仍然呈現出了企穩(wěn)回升、發(fā)展逐漸向好的良好局面。雖然暖氣片專用管行業(yè)發(fā)展很快，但是市場存在的一些問題不容忽視，如市場無序競爭、產品質量下降、創(chuàng)新乏力等。于是如何選擇暖氣片的肋片，成為了暖氣片專用管行業(yè)的核心問題。 根據傅里葉定律-A(dt/dx)可知，在溫差一定的條件下，增大傳熱量就是增大導熱系數，而在影響導熱系數的主要因素中，肋片的材料，密度及形狀起著很大的作用。優(yōu)化肋片散熱主要是從這三方

3、面著手，尋求增大肋片散熱量的最佳途徑。在這里，我們具體研究材料的選擇對于肋片散熱優(yōu)化設計的影響。 一、金屬材料 常用散熱器材料中銅、鋁、鋁合金、鎂、鋼等，其導熱性能依次遞減。但是到目前為止.最常用的散熱器材料是鋁。與其他一些高熱導率的材料相比，鋁比較便宜，而且比較容易加工。 以LS- 6- 4 型為例, 已知室溫為18, 散熱器平均壁溫80, 供水溫度95, 回水溫度70,管內水流速0.2 m/s,管內徑16 mm,管外徑19.2 mm,中心距600 mm

4、, 鋁合金的導熱系數為= 170 W/(m k).管內水以對流換熱方式將熱量傳給管內壁,內壁以導熱方式傳給外壁. 外壁一方面以導熱傳給主肋片及支肋片表面; 另一方面以對流換熱方式傳給肋片間對流通道中的空氣, 空氣與散熱器表面發(fā)生對流換熱, 同時和空隙上方的環(huán)境空氣直接自然對流換熱. 根據理論上的分析計算，可得K= 8.54 ( W/K)。  圖1  散熱量Q與計算溫差T的關系    而運用實驗的方

5、法，對重7 kg 的LS- 6- 4 型鋁合金散熱器異側連接, 采用上進下出方式, 實驗壓力為1.2Mpa. 散熱器的熱量與計算溫差關系為:       Q= 5.032 (T ) 1.272 ( W) T = 64.5    Q = 1008.08 (W) q= 2.

6、23 W/ K= 8.46 (W/K ) 散熱量Q 與計算溫差T 的關系如圖1 所示。Q1 為實際熱量,Q2 為理論熱量. 由實驗結果及分析數據可知，在一定的誤差范圍內，理論值K 與實驗值 K可以認為基本相等，不同材料的導熱系數可根據理論的方法直接計算得出。各種材料的導熱系數見下表。 表一： 材料名稱 導熱系數W/(m k) 材料名稱 導熱系數W/(m k) 材料名稱 

7、;導熱系數W/(m k) Si 150 黃銅 70   石棉 0.150.37 SiO2 7.6 青銅 32   玄武巖 2.18 SC 490 純硅膠 0.35 花崗巖 2.63.6 GaAs 46 中密度硅膠 0.17 石蠟 0.12 GaP 77 低密度硅膠 0.

8、12 石油 0.14 LTCC 2 玻璃 0.51.0 瀝青 0.7 AIN 150 玻璃鋼 0.40 紙板 0.060.14 Kovar 17.3 泡沫 0.045 鑄鐵 4290 鉆石 2300 環(huán)氧樹脂 0.22.2 不銹鋼 17 金 317 空氣 0.010.04 鑄鋁 

9、138147 銀 429 水蒸氣 0.023 PA 0.25 純鋁 237 水 0.50.7 PC 0.2 純銅 401 木材(縱向) 0.38 PP 0.210.26 純鋅 112 木材（橫向） 0.140.17 PS 0.08 純鈦 14.63 普通粘土磚 0.70.8 軟質PVC 0.14&#

10、160;純鉛 35 耐火磚 1.06 硬質PVC 0.17 純鎳 90 水泥沙 0.91.28 橡膠 0.190.26 鋼 3654 瓷磚 1.99 純錫 64 在對鋁與其他金屬材料采用實驗研究后，綜合了一些現實因素，最終得出這樣的結論：鋁合金重量輕, 是鑄鐵散熱器的1/ 10, 鋼制散熱器的1/ 4  1/ 3; 承壓能力是鑄鐵散熱器的

11、1.25倍, 與鋼制的相同; 金屬熱強度是鑄鐵的7 倍,鋼制的2.4 倍; 價格約是鑄鐵散熱器的1.5 倍,約是傳統(tǒng)鋼制散熱器的1.3 倍, 與新型鋼制散熱器相比, 價格接近或更低一些. 二、其他非金屬材料 對于增強肋片散熱來說，是不是選擇導熱系數越大的材料越好呢？答案是否定的。 首先要考慮的就是造價問題。 從表1可知，銅的熱導率是鋁的兩倍。然而在相同體積的情況，銅散熱器的造價大約是鋁的四到六倍，其重量也是鋁散熱器的三倍。因此，盡管銅的散熱性能好，現實應用中也很少采

12、用銅作為散熱器肋片的材料。 其次，熱導率大的材料是否適合作為散熱器的肋片使用，還取決于材料本身的性質。 在表1中，我們看到鉆石的熱導率達到2300，將近是鋁的10倍。于是有人就想到用與鉆石成分相似的金剛石代替鉆石，作為一種新型的肋片材料。 據研究。金剛石的導熱率是銅的五倍。而各種類型的金剛石, 如É a、É b、Ê a、Ê b 型等, 不同類型的金剛石的導熱率是不一樣的, 就是同一類金剛石的導熱率也不完全相同。金剛石的導熱率與其內部 結

13、構的完整性有關, 與雜質的種類和含量有關。在不同的溫度條件下, 同一類金剛石的導熱率也不一樣,這可以從表2 看出. 一些研究者在試用CVD 法生產的金剛石膜, 一平方厘米的金剛石膜要10 美元, 再加上昂貴的加工費, 這種散熱片的造價顯得過于昂貴。因此, 他們又在試用靜壓法生產的單晶金剛石為原料制造的多晶金剛石燒結體。他們認為, 靜壓法生產的單晶金剛石的價格低廉, 一克拉單晶金剛石只值幾美分，這似乎解決了價格方面的問題，然而，在導熱性能方面，為題就變得很棘手了。 靜

14、壓法生產的金剛石是É b 型, 屬É 型金剛石。這類金剛石的質量并不好, 更不要說幾美分一克拉的金剛石。因為不管是國內還是國外所采用的生產金剛石的工藝技術并不先進, 生產的金剛石晶體的內部結構有很多缺陷, 金屬包裹物很多, 而導熱性能對結構缺陷很敏感, 因此, 這類金剛石的導熱性不可能很好。用這類金剛石制造的多晶金剛石燒結體, 其導熱性能 又由于燒結過程中的原因而下降, 結果可能是, 多晶金剛石燒結體的導熱性比銅的導熱性好不了多少。這樣

15、的結果，似乎不能讓人滿意。 此外，用靜壓法制造的多晶金剛石燒結體也有一個造價問題, 多晶金剛石燒結體的造價不僅僅與單晶金剛石原料的價格有關, 還與燒結過程以及后加工等的成本有關。如果造價降不下來, 也不可能得到廣泛的應用。因此,用目前生產的É b 型單晶金剛石為原料制造的多晶金剛石燒結體作為散熱材料應用可能有許多問題需要研究。 那么, 金剛石的優(yōu)異導熱性能是否能得到應用呢? 問題在于是否采用正確的技術路線。 首先需要解決單晶金剛石原料的質量問題, 單晶金剛石原料要有良好的導熱

16、性能。 其次要采用先進的燒結工藝, 在燒結過程中不使多晶金剛石燒結體的導熱性下降太多。多晶金剛石燒結體內部的晶界雜質、氣孔、其它缺陷以及添加劑造成的導熱性能的下降應盡量小,因為這些都是熱量傳播的障礙。 最后, 還要設法將造價降下來。 盡管有著這樣那樣的問題，但是如果采用質量不高的單晶金剛石原料制造的多晶金剛石燒結體的散熱性能比目前所采用的散熱手段要好, 而且成本也不高, 這也值得一試, 只不過效果可能不是很理想, 這要通過實踐來證明。 三、立足現實，當今生活中使用的散熱器主要有以下幾種：

17、0;(一)老式散熱片 1、鑄鐵散熱器； 2、鋼串片散熱器。 這兩種主要運用在北方的大型城市供暖中。 (二)新型散熱氣 1、鋼制管式，就是鋼管型，有圓管、扁管等 2、鋼制板式，主要是從歐洲進口的，散熱效果好，對生產工藝要求比較高，投入較大，但不適合集中供暖，因為里面不做內防腐 3、鋁合金型，價格便宜，壽命較短； 4、銅鋁復合，現在還有鋼鋁復合、不銹鋼鋁復合 5、鑄鋁； 6、鋼制內搪瓷，以內搪瓷為防腐，壽命較長。 四、結論 通過對材料導熱率及材料價錢等方面的綜合考慮，我們認為，現

18、用的鋁合金型散熱器相對來說是比較好的一種散熱器，使用范圍也很廣泛。但是，創(chuàng)新永無止境，鋁合金材料有著易腐蝕等方面的缺陷，將來也必將被其他更好的材料所取代，如本文中提到的金剛石等非金屬材料，就是一個可能。將來，材料對加強散熱器散熱所起的作用必將越來越重要，散熱器的發(fā)展也將充滿前景。  The Optimal Design of Cooling Fin Zhao Fangyuan,Zhouqian,Guoning,Li Xiaoning,Bai Jianfei  Abs

19、tract:The industry of special radiator pipe develops rapidly,but there are still some problems that can not be ignored in the market,such as disorderly market competition, low

20、er-quality product, innovation and fatigue. So how to choose the radiator fin become a core issue in the industry of special radiator pipe.In this paper ,we mainly study the impact of the choice of materials on designed for