常用散热器放热比例研究

常用供暖散热器辐射一对流 放热量比例的实验研究

西安建筑科技大学 张旭 陈文良 于文剑 马跃星 杨瑞卿

摘要 常用供暖散热器外表面放热是复杂开关物体自然对流一辐射耦合放热过程.作者在ISO 标准散热器热工性能测试台和真空装置中,测出5种典型供暖散热器的有效辐射系数.确定了其辐 射一对流放热量的比例.

本文通过实验的方法，研究了目前我国常用的几种钢制和铸铁供暖散热器外表面放热过程中辐射放热量和对流放热量占总放热量的比例。研究的特点是首先测出散热器总放热量，然后利用特制的真空装置，从真空装置中抽出对流放热所必需的媒介一空气，保证散热器在真空装置中为纯

辐射换热，从而测出有效辐射系数ε12通过斯蒂芬一波尔兹曼定律，计算出辐射换热量，最后分

别得到散热器外表面辐射放热量和对流放热量占总放热量的比例.目前，尚未见到有用该法研究同类问题的文献发表。 l 实验方法及装置 1．1 实验原理

对于热水供暖散热器，其热水侧的放热量可用下式计算

在稳定工况下，由热力学第一定律知道，散热器水侧放热量Qw 在数值上必然等于散热器外

表面总放热量，即

而散热器外表面向环境的放热量是与周围空气自然对流换热量Qc和与周围固体壁面辐射换

热量Q R 之和，即：

上式中辅射换热量Q R 可用斯蒂芬一波尔兹曼定律计算

如果用实验的方法分别测出Q T 和Q R 时，则可方便地用式[3]分别计算出辅射和对流放热量占

总放热量的比例。

1．2 实验装置

实验装置详见图l。整个装置主要由四个系统组成，即热水系统、真空系统、空调系统、温

度控制和参数测量系统。热水系统由热水箱．粗加热水标、被测散热器和热水循环泵组成。通过调控装置，调节散热器供、回水温度，使系统在需要的工况下远行。真空装置出一个5mm 厚钢板

焊成尺寸为1.4m×0.5m×1.1m 的承压真空箱和真空泵组成：在散热器辐射放热量测定中，使真空箱内达到—定真空度状态，保证散热器外表面为纯辐射换热。空调系统由空调器冷却水循环泵等组成，通过补偿夹层套间送风温度的控制，保持密闭小室为恒温，从而使整个系统在稳定工况下运行。供回水温度由热敏电阻通过EDI 一302数字显示器测量。散热器外表面及密闭小室或真空箱内表面温度由60多对铜一康铜热电偶和PF —15高精度数字电压表测量。热水流量由浮子流

量计和DP 一5000测力传感器数字合称按重量法测量，全部测试仪器、仪表经过校定。整个试验符合IS03148一l975标准.

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图1试验装置平面图

1一控制柜2一调压器3一稳压器4一接线板5一冰瓶6一PFl5及LY4型数字打印机7一浮子流量计8一EDI一302数字显示器9一DP一5000测力传感器式数字台秤10一热水箱11一粗加热水箱12一粗加热温度测头13一精加热水箱14一散热器供水温度t g 测头15一散热器回水温度t g 测头16一被测散热器l 7一粗加热水箱供水泵18一空调器19一冷却水循环水泵20一冷却水箱21一冷却塔．j2一基准点测头23一

闭式小室24一补偿夹层套间25一真空箱26一真空泵

1．3 实验散热器

实验散热器选用目前国内供暖工程中虽常用的5种散热器，其各项技术参数见表1,每个散

热器外表面均焊有4—6对铜—康铜热电偶，测量散热器外表面温度。试验散热器均符合JGJ 一29．1—32—86一JGJ 一30．2—86，均为同侧进出。表面颜色均为浅绿。

1. 4研究方法

本研究的难点在于：1)如何保证真空箱中散热器为纯辐射放热，2)如何保证酗得的Q R 为与Q T

对应的辐射放热份额，为此，采用了以下实验步骤:

首先据式(1)在加标准密闭小室中分别测出不同工况下5种散热器供回水温度和流量，计算出散热器总放热量Q T 。同时测出对应的散热器外表面温度和密闭小室的内壁面温度，作为计算与Q T 对应辐射放热量份额的参数。

其次，为保证实验中真空箱中散热器为统辐射放热，对真空箱中散热器散热量随真空度变化进行测试，用实验的方法确定了实验要求的合理的真空度。

最后进行辐射放热量Q R 的测定。实验中，散热器保持原形，而密闭小室表面积远大于真空箱

的表面积．当散热器外表面温度相同时，无法保证密闭小室和真空箱内表面温度相同，即无法确保真空箱中测得的辐射放热量即为密闭小室中测得总放热量Q T 中辐射放热份额。为此，通过分折，引入一个中间量——有效辐射系数ε12

由式(4)和(1)有

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式中带下标v的量为真空状态测出的参数,通过实验发现E 12不随散热器放热量变化，为一与散热器的几何形状、表面材料有关的参量。而从传热角度看，若忽略散热器表面温度不均匀的影响，散热器在密闭小室和真空箱中部为大空间包凸物的两表面问题，且实验条件下材料种类相近。因此真空箱中测得的E 12可应用于密闭小室直至推广到实际工程中评价散热器对建筑物内热微环境的影响。把E 12和测Q T 时测出的T W3.T W2代入(4)，则得与Q T 对应的辐射放热量Q R 。从而得到各种实验散热器的辐射放热和对流放热占总放热量的比例. 2实验结果与分析 2．1总放热量Q T

5种散热器在密闭小室中按IS03148—1975方法测得的散热器外表面平均温度与放热量的关系曲线见图4至图8中的实线。

2．2 实验真空度的确定

为了保证散热器在真空箱中为纯辐射放热，真空箱中必须保持足够的真空度。由于受实验条件的限制，不可能将真空箱中抽成绝对真空，因此在测定辐射放热量前必须确定合理的真空度，即使箱内边对压力下降到一个合理的值。图2给出了以M 一132为实验散热器时箱内绝对压力与散热器散热量的关系，从图中可见，当保持散热器外表面温度不变时，其散热量随箱内压力降低

而减少，当绝对压力降到3．8—8．1kPa 时，散热量保持不变，对扁管散热器的实验也说明这一现象。在整个真空实验中，真空箱中压力保持在这一范围内，从而使散热器为纯辐射放热。 图2 散热器的散热量与空气绝对压力的关系

2.3 有效辐射系数E 12的测定

有效辐射系数E 12的定义式见(5)式。通过真空实验得到的5种散热器的有效辐射系数E 12与散热器外表面平均温度t w2的关系见图3。图中A —A是钢串片，B —B是钢柱，C —C是扁管，D —D是铸铁M —132，E —E是铸铁四柱760。从图中可以看出，试验散热据的E 12基本上都不随t w2变化，即有效辐射系数不随散热器散热量的变化而改变。同时可以看出，相同几何形状的散热器的E 12数值较接近,图3中B —B，D —D，E —E均为柱式散热器，他们的辐射系数数值接近，说明影响散热器E 12的主要因素是其形状。

由于E 12基本不受散热器散热量的影响，且散热器在密闭小室中和在真空箱中都可近似认为是太空间包凸物，因此,利用真空箱中测出的E 12和在密闭小室中测Q T 时测出的散热器外表面平均温度以及密闭小室内壁温,可以计算出散热器在不同工况下的辐射换热量Q R ，而且保证了Q R 即为Q T 中辐射放热量份额。 2．3 放热量比例的计算 把实验测出的E 12和测Q T 时同时得到的散热器外表面温度t w2和密闭小室内壁温t w1代入(4)式，

得

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