利用传热学在肋片散热的改良

利用传热学在肋片散热的改良摘要：本文首先从传热学的基本概念出发，传热学的普适性不仅表现为在能源动力、石油、冶金、化工、交通、建筑建材、机械、食品、轻工、纺织、医药等传统工业部门中，而且传热学的理论和技术在生产、科学研究等领域也得到了广泛的应用。传热学理论的应用解决了决定这些部门生产过程的热工艺技术，对一些关键技术的解决起了重要的甚至是决定性的作用。暖气片专用管行业发展很快，但是市场存在的一些问题不容忽视，如市场无序竞争、产品质量下降、创新乏力等。于是如何选择暖气片的肋片，成为了暖气片专用管行业的核心问题。在这里，我们具体研究材料的选择对于肋片散热优化设计的影响。通过对金属与非金属材料的肋片的研究，对材料导热率及材料价钱等方面的综合考虑，我们认为，现用的铝合金型散热器相对来说是比较好的一种散热器，使用范围也很广泛。在全球经济不景气、国际市场持续低迷的情况下，我国暖气片专用管行业仍然呈现出了企稳回升、发展逐渐向好的良好局面。虽然暖气片专用管行业发展很快，但是市场存在的一些问题不容忽视，如市场无序竞争、产品质量下降、创新乏力等。于是如何选择暖气片的肋片，成为了暖气片专用管行业的核心问题。根据傅里叶定律①=-入A(dt/dx)可知，在温差一定的条件下，增大传热量①就是增大导热系数入，而在影响导热系数入的主要因素中，肋片的材料，密度及形状起着很大的作用。优化肋片散热主要是从这三方面着手，寻求增大肋片散热量的最佳途径。在这里，我们具体研究材料的选择对于肋片散热优化设计的影响。一、金属材料常用散热器材料中铜、铝、铝合金、镁、钢等，其导热性能依次递减。但是到目前为止.最常用的散热器材料是铝。与其他一些高热导率的材料相比，铝比较便宜，而且比较容易加工。以LS-6-4型为例，已知室温为18°C,散热器平均壁温80°C,供水温度95C,回水温度70C,管内水流速0.2m/s,管内径16mm,管外径19.2mm,中心距600mm,铝合金的导热系数为入=170W/(m・k).管内水以对流换热方式将热量传给管内壁，内壁以导热方式传给外壁.外壁一方面以导热传给主肋片及支肋片表面；另一方面以对流换热方式传给肋片间对流通道中的空气，空气与散热器表而发生对流换热,同时和空隙上方的环境空气直接自然对流换热.根据理论上的分析计算，可得K=8.54(W/武•K)。图1散热量Q与计算温差△T的关系而运用实验的方法，对重7kg的LS-6-4型铝合金散热器异侧连接,采用上进下出方式，实验压力为1.2Mpa.散热器的热量与计算温差关系为：Q=5.032(AT1.272(W)△T=64.5^Q=1008.08(W)q=2.23W/^K’=8.46(W/『K)散热量Q与计算温差△T的关系如图1所示。Q1为实际热量,Q2为理论热量.由实验结果及分析数据可知，在一定的误差范围内，理论值K与实验值K’可以认为基本相等，不同材料的导热系数入可根据理论的方法直接计算得出。各种材料的导热系数见下表。表一：材料名称导热系数W/(m・k)材料名称导热系数W/(m・k)材料名称导热系数W/(m・k)Si150黄铜70-石棉0.15-037Si027.6青铜32-「玄武岩P2.18SC490纯硅胶0.35-4—1-i_l_i|_|_j化冈石2.6~3.6GaAs46中密度硅胶0J7|石蜡0.12GaP77低密度硅胶0.12石油0.14LTCC2玻璃0一5~1一0沥青0.7AIN150玻璃钢0.40纸板O.DA0.14Kovar173泡沫0.045铸铁42-90钻石2300环氧树脂0.2-2.2不锈钢F17金317空气0.01-0.04傍铝138-^147银429水蒸气0一023PA0.25纯铝237水0.5-0.7PC0.2纯铜401木材(纵向)038PP0.21-0.26纯锌112木材(横向)0'.14-0.17|PSFo.08纯钛14.63普通粘土砖0.7-0.8软质PVC0.14纯铅35耐火砖1.06硬质PVC0.17纯镣90水泥沙0'.9-1.28橡胶0.19-0.26钢36~54瓷砖1.99纯锡64材料名称导热系数W/(m・k)材料名称导热系数W/(m・k)材料名称导热系数W/(m・k)Si150黄铜70~石棉0.15~0.37SiO27.6青铜32~玄武岩2.18SC490纯硅胶0.35花岗岩2.6~3.6GaAs46中密度硅胶0.17石蜡0.12GaP77低密度硅胶0.12石油0.14LTCC2玻璃0.5~1.0沥青0.7AIN150玻璃钢0.40纸板0.06~0.14Kovar17.3泡沫0.045铸铁42~90钻石2300环氧树脂0.2~2.2不锈钢17金317空气0.01~0.04铸铝138~147银429水蒸气0.023PA0.25纯铝237水0.5~0.7PC0.2纯铜401木材(纵向)0.38PP0.21~0.26纯锌112木材(横向）0.14~0.17PS0.08纯钛14.63普通粘土砖0.7~0.8软质PVC0.14纯铅35耐火砖1.06硬质PVC0.17纯镍90水泥沙0.9~1.28橡胶0.19~0.26钢36~54瓷砖1.99纯锡64在对铝与其他金属材料采用实验研究后，综合了一些现实因素，最终得出这样的结论：铝合金重量轻,是铸铁散热器的1/10,钢制散热器的1/4~1/3;承压能力是铸铁散热器的1.25倍,与钢制的相同；金属热强度是铸铁的7倍,钢制的2.4倍;价格约是铸铁散热器的1.5倍，约是传统钢制散热器的1.3倍,与新型钢制散热器相比,价格接近或更低一些.二、其他非金属材料对于增强肋片散热来说，是不是选择导热系数越大的材料越好呢？答案是否定的。首先要考虑的就是造价问题。从表1可知，铜的热导率是铝的两倍。然而在相同体积的情况，铜散热器的造价大约是铝的四到六倍，其重量也是铝散热器的三倍。因此，尽管铜的散热性能好，现实应用中也很少采用铜作为散热器肋片的材料。其次，热导率大的材料是否适合作为散热器的肋片使用，还取决于材料本身的性质。在表1中，我们看到钻石的热导率达到2300,将近是铝的10倍。于是有人就想到用与钻石成分相似的金刚石代替钻石，作为一种新型的肋片材料。据研究。金刚石的导热率是铜的五倍。而各种类型的金刚石，如£a、£b、Ea、Eb型等，不同类型的金刚石的导热率是不一样的,就是同一类金刚石的导热率也不完全相同。金刚石的导热率与其内部结构的完整性有关,与杂质的种类和含量有关。在不同的温度条件下，同一类金刚石的导热率也不一样，这可以从表2看出.表二金刚石的导热率Table!TbermalconductivityofdiamondW/(m'k)金刚石类型在273K在80KIa600〜10002000-4000Ila2000-2200达15000同位素纯金刚石3500多晶金刚石达〜400一些研究者在试用CVD法生产的金刚石膜，一平方厘米的金刚石膜要10美元,再加上昂贵的加工费，这种散热片的造价显得过于昂贵。因此，他们又在试用静压法生产的单品金刚石为原料制造的多品金刚石烧结体。他们认为，静压法生产的单品金刚石的价格低廉，一克拉单品金刚石只值几美分，这似乎解决了价格方面的问题，然而，在导热性能方面，为题就变得很棘手了。静压法生产的金刚石是Eb型，属E型金刚石。这类金刚石的质量并不好，更不要说几美分一克拉的金刚石。因为不管是国内还是国外所采用的生产金刚石的工艺技术并不先进，生产的金刚石品体的内部结构有很多缺陷，金属包裹物很多，而导热性能对结构缺陷很敏感，因此，这类金刚石的导热性不可能很好。用这类金刚石制造的多品金刚石烧结体，其导热性能又由于烧结过程中的原因而下降,结果可能是,多品金刚石烧结体的导热性比铜的导热性好不了多少。这样的结果，似乎不能让人满意。此外，用静压法制造的多品金刚石烧结体也有一个造价问题,多品金刚石烧结体的造价不仅仅与单品金刚石原料的价格有关,还与烧结过程以及后加工等的成本有关。如果造价降不下来,也不可能得到广泛的应用。因此,用目前生产的Eb型单品金刚石为原料制造的多品金刚石烧结体作为散热材料应用可能有许多问题需要研究。那么，金刚石的优异导热性能是否能得到应用呢？问题在于是否采用正确的技术路线。首先需要解决单品金刚石原料的质量问题,单品金刚石原料要有良好的导热性能。其次要采用先进的烧结工艺,在烧结过程中不使多品金刚石烧结体的导热性下降太多。多品金刚石烧结体内部的品界杂质、气孔、其它缺陷以及添加剂造成的导热性能的下降应尽量小,因为这些都是热量传播的障碍。最后,还要设法将造价降下来。尽管有着这样那样的问题，但是如果采用质量不高的单品金刚石原料制造的多品金刚石烧结体的散热性能比目前所采用的散热手段要好，而且成本也不高，这也值得一试,只不过效果可能不是很理想,这要通过实践来证明。三、立足现实，当今生活中使用的散热器主要有以下几种：（一）老式散热片1、铸铁散热器；2、钢串片散热器。这两种主要运用在北方的大型城市供暖中。（二）新型散热气1、钢制管式，就是钢管型，有圆管、扁管等2、钢制板式，主要是从欧洲进口的，散热效果好，对生产工艺要求比较高，投入较大，但不适合集中供暖，因为里面不做内防腐3、铝合金型，价格便宜，寿命较短；4、铜铝复合，现在还有钢铝复合、不锈钢铝复合5、铸铝；6、钢制内搪瓷，以内搪瓷为防腐，寿命较长。四、结论通过对材料导热率及材料价钱等方面的综合考虑，我们认为，现用的铝合金型散热器相对来说是比较好的一种散热器，使用范围也很广泛。但是，创新永无止境，铝合金材料有着易腐蚀等方面的缺陷，将来也必将被其他更好的材料所取代，如本文中提到的金刚石等非金属材料，就是一个可能。将来，材料对加强散热器散热所起的作用必将越来越重要，散热器的发展也将充满前景。TheOptimalDesignofCoolingFinZhaoFangyuan,Zhouqian,Guoning,LiXiaoning,BaiJianfeiAbstract:Theindustryofspecialradiatorpipedevelopsrapidly,buttherearestillsomeproblemsthatcannotbeignoredinthemarket,suchasdisorderlymarketcompetition,lower-qualityproduct,innovationandfatigue.Sohowtochoosetheradiatorfinbecomeacoreissueintheindustryofspecialradiatorpipe.Inthispaper,wemainlystudytheimpactofthechoiceofmaterialsondesignedforoptimalheatdissipationfin.Throughstudyingaboutthemetalandnonmetalmaterials,takingthermalconductivityofmaterialsandmaterialpricesintoa