不同款式散热器换热性能试验研究

王超

0 引言

采暖散热器是将热媒的热量传导到室内的一种末端设备，是我国北方居民日常生活中不可缺少的部分，近年来由于疫情的原因人们的外出时间急剧压缩，室内活动占据了人们日常生活的绝大多数，供暖季散热器换热性能的好坏直接决定了室内的温度以及舒适度，尤其在一些寒冷的地区，供暖的好坏直接影响人民生活的幸福指数。因此，如何选用一款好用的采暖散热器成为人们关注的问题，散热器质量的优劣，性能的好坏，外观的华陋，直接关系到使用的安全性、经济性和装饰性，关注采暖散热器，就是关注生活质量。目前，我国散热器行业已初具规模，散热器生产厂家主要分布在河北、天津、山东等地，工艺及制造也达到一定水平，中国散热器网相关文章显示，在国际经济持续低迷、国内经济引擎重启的交错影响下，我国散热器企业必须取优去劣，抵御外部环境的冲击。

采暖散热器行业伴随着中国市场经济环境的变迁和发展，不断成长，行业近阶段发展的总体形势企稳向好，逐步调整产品结构趋于合理，行业经济持续稳定快速增长，散热器企业的管理、营销、技术水平得以进一步的发展和提升。

采暖散热器承担着将热媒携带的热量传递给房间内的空气，以补偿房间的热耗，达到维持房间一定空气温度的目的。在日常生活中，主要热媒往往是具有较高比热容的水。为达到房间温度，采暖散热器必须具备能够承受热媒输送系统的压力、有良好的传热和散热能力、具有必要的使用寿命等条件。本次选取了不同种类的散热器进行了对比试验，依据标准检测散热器的散热量性能，使用红外线热像仪对散热器表面温度进行测量，收集不同散热器表面的温度场。同时，对比每种散热器相邻柱的温度分布，分析其温度均匀性的好坏，也对比了不同散热器在不同场所的适用性，为人们日后对散热器的选择提供了可靠的参考。

1 实验原理及装置

依据标准GB/T 13754-2017《采暖散热器散热量测定方法》，将试验所需要的散热器安装到标准要求的小室后进行设定，密闭小室的尺寸为4m×4m×3m，大气压力为标准大气压，小室空间内部与壁面中心按照标准安装温度传感器，确保实时监测小室温度变化，为达成动态热平衡，小室外侧壁板间设有水冷夹层板，控制小室基准点温度保持为18℃。

设定散热器的进口水温为75℃，出口水温为50℃，空气基准点温度为18℃，各点温度的误差范围为±0.1℃。水冷式散热器热工性能检测装置由加热、制冷、称量三个系统组成。加热系统是由加压泵、稳压罐、加热水箱等组件连接起来构成的开式系统，本次试验选取的热媒为水，因为其具有较大的比热容，通过将水进行两次加热，达到标准进口水温。制冷系统的工作原理是冷却水通过小室夹层，通过热交换原理来维持热工小室的热平衡，温度升高的冷却水经过集水器回到制冷机组再次换热，完成一次冷循环。称量系统是对流量的测量，试验过程通过对水流量的自动调节，采用称重法测量达成平衡时的流量。稳态后计算得出来的散热量就是该散热器的标准散热量。

2 散热器试验数据

2.1 散热器规格型号

本次试验选取了4 种不同种类散热器进行对比，分别为钢制柱式散热器，钢制卫浴散热器，铜铝复合散热器，压铸铝散热器，所选散热器的高度，中心距，柱数如表1 所示。

表1 选取散热器样品尺寸参数

2.2 散热器散热量测试

根据文献[5]，将上述4 种不同规格散热器安装到上文提到的试验台进行散热量测量，设置进口温度为75℃，出口温度为50℃，小室中心点空气基准温度为18℃，钢制柱式散热器在工况达到平衡时得到数据如表2 所示。三个工况的散热量通过利用最小二乘法进行拟合，得出散热量（Q）与过余温度（△T）的关系式：

表2 热工性能测试参数

根据公式绘制散热量与过余温度的关系曲线如图1 所示，其中，横坐标表示过余温度，纵坐标表示总散热量。散热量会随着过余温度的升高而升高，且在过余温度较高的区域散热量增大的趋势更为显著。

图1 散热量与过余温度的关系曲线

钢制卫浴散热器在工况达到平衡时得到数据如表3 所示。三个工况的散热量通过利用最小二乘法进行拟合，得出散热量（Q）与过余温度（△T）的关系式：

表3 热工性能测试参数

根据公式绘制出散热量与过余温度的关系曲线如图2 所示，其中，横坐标表示过余温度，纵坐标表示总散热量。散热量会随着过余温度的升高而升高，在过余温度较高的区域散热量增大的趋势更为显著。

图2 散热量与过余温度的关系曲线

压铸铝散热器在工况达到平衡时得到数据如表4 所示。三个工况的散热量通过利用最小二乘法进行拟合，得出散热量（Q）与过余温度（△T）的关系式：

表4 热工性能测试参数

根据公式绘制出散热量与过余温度的关系曲线如图3 所示，其中，横坐标表示过余温度，纵坐标表示总散热量。散热量会随着过余温度的升高而升高，且在过余温度较高的区域散热量增大的趋势更为显著。

图3 散热量与过余温度的关系曲线

铜铝复合散热器在工况达到平衡时得到数据如表5 所示。三个工况的散热量通过利用最小二乘法进行拟合，得出散热量（Q）与过余温度（△T）的关系式：

表5 热工性能测试参数

根据公式绘制出散热量与过余温度的关系曲线如图4 所示，其中，横坐标表示过余温度，纵坐标表示总散热量。散热量会随着过余温度的升高而升高，且在过余温度较高的区域散热量增大的趋势更为显著。

图4 散热量与过余温度的关系曲线

2.3 散热器热成像测试

红外热像仪具有非接触大面积检测、响应速度快、检测精度高等优点，利用红外热像仪对散热器表面温度分布进行检测，得到散热器表面温度场。图5 是钢制柱式散热器的表面温度分布情况，根据该表面温度场分布，绘制钢制柱式散热器单柱散热管的温度变化曲线如图6 所示。

图5 钢制柱式散热器表面温度分布

图6 钢制柱式散热器单柱散热管温度变化曲线

通过分析得出由于两柱散热管道所处位置原因，两条温度曲线P1、P2 在顶端约有1℃的温差，在底部温差基本一致。钢制柱式散热器的温度均匀度分布较好，相邻两柱散热管道均由上到下温度减小且趋势相近，实际安装后可以让室内人体感到较好的温度舒适度。

图7 是钢制卫浴散热器的表面温度分布情况，根据该表面温度场分布，绘制钢制卫浴散热器相邻单柱散热管的温度变化曲线如图8 所示。

图7 钢制卫浴散热器的表面温度分布

图8 单柱散热管的温度变化曲线

通过分析得出卫浴型散热器温度场分布没有钢制柱式散热器分布均匀，在沿水流方向温度下降过程中出现了2 次温度增高，大约上升了0.5℃，P1、P2 温度线进水口温度相近，变化趋势基本相同。

图9 是铜铝散热器的表面温度分布情况，根据该表面温度场分布，绘制铜铝散热器单柱散热管的温度变化曲线如图10所示。

图9 铜铝散热器的表面温度分布

图10 单柱散热管的温度变化曲线

通过分析得出铜铝复合散热器温度场分布在中间段比较均匀，在铜铝散热器的柱顶端存在外壳可以通过增大扰流加强对流换热，因此外壳表面温度略微低于柱体，P1、P2 温度线进水口温度相近，变化趋势基本相同。

图11 是压铸铝散热器的表面温度分布情况，根据该表面温度场分布，绘制压铸铝散热器单柱散热管的温度变化曲线如图12 所示。

图11 压铸铝散热器的表面温度分布情况

图12 单柱散热管的温度变化曲线

通过分析得出压铸铝散热器温度场分布比较均匀，在压铸铝散热器的柱顶端存在翅片通过增大扰流加强对流换热，从而增大散热量，在顶部存在温度下降较为明显区域。P1、P2 温度线进水口温度相近，变化趋势基本相同。

通过分析得出压铸铝散热器温度场分布比较均匀，在压铸铝散热器的柱顶端存在翅片通过增大扰流加强对流换热，从而增大散热量，在顶部存在温度下降较为明显区域。P1、P2 温度线进水口温度相近，变化趋势基本相同。

3 热工性能分析

根据文献[5]中的测试要求，对钢制柱式散热器，钢制卫浴散热器，铜铝复合散热器，压铸铝散热器进行了热工性能的检测，对其热工性能分析如下：钢制柱式散热器在标准工况下散热量为351.2W，单柱散热量为87.8W；钢制卫浴散热器在标准工况下散热量为264.2W，单柱散热量为24.62W；压铸铝散热器在标准工况下散热量为535.5W，单柱散热量为107.1W；铜铝复合散热器在标准工况下散热量为517.2W，单柱散热量为86.2W。在所选的4 种不同款式散热器样品中压铸铝单柱散热量最大，钢制柱式散热器与铜铝复合散热器单柱散热量接近，卫浴散热器单柱散热量较小。

4 结论

根据文献[5]中的测试要求，对不同款式散热器的散热量进行了测量，观察4 种不同款式散热器温度曲线分布，将不同的单柱散热管道温度分布进行对比，得出如下结论：

所选不同款式散热器中，单柱散热量压铸铝最大，钢制柱式与铜铝复合散热器接近，卫浴单柱散热量较小。钢制柱式散热器的温度分布最为均匀，压铸铝顶端由于扰流效果较好，散热性能优于其他部位，顶部温度存在较快下降趋势，其他部位下降较为均匀，铜铝顶部由于顶部外罩存在，表面温度略低于中部，其余部位温度下降较为均匀，钢制卫浴型散热器温度均匀性相比较差。在同样的小室中钢制柱式散热器可以提供较好的供暖效果以及舒适的室内感受。