管翅式散热器不同进出口高度对换热性能的影响

陈金友 漆波

摘  要：该文通过建立倒T型管翅式散热器5种不同进口高度及6种不同出口高度的物理数学模型，进行数值计算及分析，研究散热器进口及出口高度对换热性能的影响。结果表明：随进口高度增大，散热器换热性能有所弱化，但是影响程度很小，最大值与最小值相差4.33%;随出口高度增大，散热器换热性明显增强，且影响程度很大，最大值与最小值相差47.74%。为此在设计与生产散热器的过程中，在满足实用性、经济性等条件下，应尽可能地减小进口高度，增大出口高度，以便得到最佳的换热性能。

关键词：管翅式散热器  进口高度  出口高度  数值计算

中图分类号：TK172                                文献标识码：A                         文章编号：1672-3791（2019）06（a）-0069-03

管翅式散热器是我国采用最为普遍的一种自然对流换热器，其工作原理为相对高温的翅片管与相对低温的周围空气进行对流热交换，提高周围空气温度，达到采暖的目的。项目前阶段对散热器传热性能试验平台进行搭建研究，得到了实验的可行性实验方案，同时对管翅式散热器的布置形式对散热器性能的影响进行数值仿真，目前研究的几种布置形式中，倒T型布置型式散热性能最优，为此，该文主要研究进口高度及出口高度对倒T型布置型式的管翅式散热器换热性能的影响，以期找到合适的进出口尺寸参数，为管翅式散热器的生产提供一定的理论指导依据。

1  模型建立及边界条件设置

倒T型管翅式散热器物理模型如图1所示，其结构参数类比市场常见L型布置方式的采暖散热器的参数，具体参数如表1所示。

倒T型管翅式散热器换热过程属于典型的流固耦合换热问题，因此在进行数值计算过程中应该满足能量守恒定律、动量守恒定律以及质量守恒定律，它们的控制方程如下。

合理的边界条件设置对数值计算起到至关重要的作用，该模型边界条件设置如下：考虑空气流速未可知，采用进口边界条件，总温度为291K，湍流动能k为1，湍流耗散率e为1;根据实验条件，采用定壁温;考虑出口回流及更容易收敛的因素，采用压力出口边界条件。

2  不同进口高度对管翅式散热器换热性能的影响

因为目前市场上管翅式散热器进口高度相对较小，不适宜再进一步减小，因此在研究管翅式散热器进口高度对散热性能的影响的过程中，仅考虑增大散热器进口高度，不考虑减小散热器进口高度。图2是5种不同进口高度模型的俯视图，最左侧模型为原散热器模型，从右至左进口高度增加量依次减小，增加量分别为80mm、60mm、40mm、20mm、0mm的散热器模型，相邻两个模型高度差值为20mm。

对5种不同进口高度散热器进行数值计算，得到散热结果汇总如表2所示。根据表2数据，从变化趋势的角度分析得到：散热器随进口高度的减小，散热器总换热量增大。从对散热量影响大小的角度分析得到：5种不同进口高度的散热器，散热器散热总量相差不大，最大值与最小值的增加量为4.33%，进口高度越小，散热总量对进口高度变化越敏感。从对散热器出口空气流量的角度分析得到：散热器进口高度对散热器出口空气流量影响不大，最大值与最小值的增加量为2.26%。

通过对仿真计算结果的分析发现：散热器随进口高度减小，散热性能越好，但是散热器进口高度对散热器换热性能的影响不大，该文所计算的5种不同进口高度，最大值与最小值仅相差4.33%，这对整个散热器的散热量影响较小;散热器进口高度对散热器出口空气流量的影响更小，该文所计算的5种不同进口高度，最大值与最小值仅相差2.26%，这对整个散热器的空气流量影响更小，因此在管翅式散热器设计与制造过程中，尽可能减小散热器进口高度，这样不仅可以在一定程度上提高散热性能（尽管影响不大），还可以减少散热器制造成本，同时也减小散热器的安装尺寸，这样可以达到散热器换热性能、经济型、实用性的最佳状态。

3  不同出口高度对管翅式散热器换热性能的影响

研究管翅式散热器出口高度对散热性能的影响的过程中，一方面考虑在原有出口高度上增大出口高度，另一方面还考虑在原有基础上减小出口高度。图3是6不同出口高度散热器模型俯视图，其中从左侧起第三个散热器出口高度为市场现有散热器（原）出口高度，以原出口高度为参照高度，从左侧起第一个模型出口高度增加-60mm（即减小60mm），第二个模型出口高度增加-30mm（即减小30mm），第三个模型出口高度增加0mm（即原出口高度），第四个模型出口高度增加+30mm，第五个模型出口高度增加+60mm，第六个模型出口高度增加+90mm，相邻两个模型高度差值为30mm。

对6种不同出口高度散热器进行数值计算，得到散热结果汇总如表3所示，根据表3数据，从变化趋势的角度分析得到：散热器随出口高度的减小，散热器总换热量减小。从对散热量影响大小的角度分析得到：6种不同出口高度的散热器，散热器散热总量相差较大，最大值与最小值的增加量为47.74%。从对散热器出口空气流量的角度分析得到：散热器出口高度对散热器出口空气流量影响巨大，最大值与最小值的增加量为74.35%。

通过对仿真计算结果的分析发现：散热器随出口高度增大，散热性能越好，并且散热器出口高度对散热器换热性能的影響巨大，该文所计算的6种不同出口高度，换热量最大值出现在出口高度增大+90mm（高度最大）时，换热量最小值出现在出口高度增大-60mm（高度最小）时，最大值与最小值相差47.74%，这对整个散热器的散热量影响较大;散热器出口高度对散热器出口空气流量的影响巨大，该文所计算的6种不同出口高度，最大值与最小值相差74.35%，这对整个散热器的空气流量影响很大，因此增大散热器出口高度是提高散热器换热性能的有效方法，管翅式散热器设计与制造过程中，在满足管翅式安装使用尺寸要求的前提下，应该尽可能增大散热器出口高度，以便得到更好的换热性能。

4  结论

该文主要对倒T型布置方式下的管翅式散热器的5种不同进口高度及6种不同出口高度进行数值计算、分析，得到以下结论。

（1）倒T型管翅式散热器随进口高度增大，总换热量减小，即换热性能减弱。

（2）倒T型管翅式散热器进口高度对散热器换热性能影响不大，该文中研究的5种不同进口高度，最大值与最小值相差4.33%。

（3）倒T型管翅式散热器进口高度对散热器出口空气流量能影响不大，该文中研究的5种不同进口高度，最大值与最小值相差2.26%。

（4）倒T型管翅式散热器随出口高度增大，总换热量增大，即换热性能增强。

（5）倒T型管翅式散热器出口高度对散热器换热性能影响较大，该文中研究的六种不同进口高度，最大值与最小值相差47.74%。

（6）倒T型管翅式散热器出口高度对散热器出口空气流量影响巨大，该文中研究的6种不同进口高度，最大值与最小值相差74.35%。

参考文献

[1] 宋为民，王贺.2015年采暖散热器行业发展浅析[J].中国建筑金属结构，2016（2）：22-27.

[2] 朱宝仁，岳晓敏.散热器采暖室内温度场和速度场的数值模拟[J].建筑热能通风空调，2011（5）：92-94.

[3] 章国芳，蔡佳莹.翅片管式换热器管外流体流动的三维数值模拟和实验[J].化工进展，2010（S2）：78-81.

[4] 司子辉，张燕，康一亭，等.翅片管式换热器的数值模拟与优化[J].化工进展，2010（S2）：82-86.

[5] 于勇.FLUENT入门与进阶教程[M].北京：北京理工大学出版社，2008.

[6] 杨世铭，陶文铨.传热学[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

[7] 陈金友，杨林，漆波.翅片管布置方式对管翅式散热器换热性能的影响[J].江苏科技信息，2016（6）：61-63.