鋁制板翅式油散熱器傳熱與阻力性能試驗研究

李建華楊洪海*吳亞紅張衛鋒丁振芳

1東華大學環境科學與工程學院

2無錫方盛換熱器股份有限公司

0 引言

鋁制板翅式散熱器具有傳熱效率高、質量輕、結構緊湊、適應溫度范圍廣等特點，在石油化工、工程機械、航空航天等領域得到越來越多的廣泛應用。其中，翅片是板翅式散熱器最基本也是最核心的元件，作為二次傳熱表面，增加了單位體積的傳熱面積，強化了傳熱效果，使散熱器體積大大縮小，節約設備材料，降低制造成本[1]。常見的翅片類型有平直，波紋，鋸齒，多孔，百葉窗及釘狀等。相對于平直型翅片，其他幾種翅片可以增加流體流動的雷諾數，提高換熱效率，但同時也增加了流動阻力[2-3]。在翅片通道中，常用的流動換熱介質有水，空氣和油等。其中，以空氣和油為冷熱介質的散熱器普遍應用于各式各樣的工程機械中，如：挖掘機、裝載機、推土機、起重機等。

對于油散熱器，現有的文獻研究較多集中于仿真計算，對鋸齒型、波紋型等板翅式油散熱器進行內部流場，傳熱性能及其影響因素的研究[4-9]。結果表明，對于鋸齒型與波紋型板翅式散熱器，其強化傳熱的主要機理是流動邊界層周期性地發展與破壞。設計合適的翅片形狀及結構，選取了合理的流動速度，均有利于強化換熱。

王迎新[10]等采用風洞實驗方法，針對車用發動機機油冷卻器，選取了4個主要廠家生產的同一型號的8個鋸齒型板翅式冷卻器，進行了傳熱和阻力特性的實驗研究。結果表明，由于生產工藝的不同,各廠家的機油冷卻器傳熱性能和阻力特性有較大的差異。由此可見，在實際生產應用中，有必要對特定的板翅式散熱器進行傳熱與阻力性能的試驗研究，找出其更適合自身的經驗關系式。

本文以空氣、油為冷熱介質，利用風洞試驗臺對某款鋁制板翅式油散熱器進行傳熱與阻力性能的試驗研究，分析空氣流量對其性能的影響規律。

1 試驗裝置

1.1 試驗試件

本文所研究的散熱器外形為長方體，如圖1（a）所示。散熱器芯體的冷空氣側為波紋型翅片，如圖1（b）所示。油側為鋸齒型翅片，如圖1（c）所示。試驗試件的具體型號及翅片結構參數見表1和表2。

圖1 試驗試件及翅片結構示意圖

1.2 試驗系統

試驗系統由風系統和油系統組成，如圖2所示。風系統主要由空氣穩流器，風管，電子測風儀，風機及變頻器等組成，進口空氣溫度控制在20±0.3℃。油系統主要由儲槽，熱源（加熱器），泵及渦輪流量計等組成。油側采用46號液壓油（比熱容Cpo=2.03 kJ/(kg·℃)，密度ρo=868.019 kg/m3)，試驗過程中，控制油側流量3.60±0.01 kg/s。

圖2 系統示意圖

1.3 測量系統

1）空氣、油進出口溫度。測量油溫的溫度傳感器采用PT100鉑電阻，精度為B級，在板翅式散熱器芯體進出口管道上測量，空氣的進出口溫度采用PT100溫度變送器在進出風口測量。

2）空氣、油的流量。采用渦輪流量計測量油的體積流量，其精度為0.25%，空氣的流量采用電子測風儀測量。

3）試件前后的壓差。在試件前后的風道上開設靜壓孔，靜壓孔連接成環狀，油側前后的壓差采用壓差傳感器在芯體的進出管道上測量，其精度為0.5%。

1.4 數據采集系統

由智能數據采集模塊完成傳感器測量信號的采集，并與計算機連接，完成數據的記錄和存儲。試驗數據是在試驗工況穩定后進行采集的，每次工況穩定時間約為15 min。

2 數據處理

2.1 換熱量

1）空氣側換熱量：

2）油側換熱量：

3）平均換熱量：

式中：Qa為空氣側換熱量，kW；Cpa為空氣的比熱容，kJ/(kg·℃)；ma為空氣的質量流量，kg/s；△Ta為空氣側進出口溫差；Qo為油側換熱量，kW；Cpo為油的比熱容，kJ/(kg·℃)；mo為油的質量流量，kg/s；△To為油側進出口溫差。

2.2 傳熱系數

空氣側傳熱系數：

式中：Ka為空氣側傳熱系數，W/(m2·℃)；A 為空氣側散熱面積，m2；△Tm為對數平均溫差，℃；Ta2為空氣側出口溫度，℃；Ta1為空氣側進口溫度，℃；To2為油側出口溫度，℃；To1為油側進口溫度，℃。

3 結果分析與討論

圖3給出了平均換熱量Q（kW）隨空氣流量V（m3/h）的變化曲線，可以直觀地看出，平均換熱量隨空氣流量的增大而增大。利用Origin軟件對試驗數據進行分析處理，可擬合得到如下經驗關系式：

圖3 平均換熱量隨空氣流量的變化曲線

從圖4可以看出，隨著空氣流量增加，空氣側進出口溫差減小，油側進出口溫差增加。因為隨著空氣流速增加，單位質量的空氣在散熱器內停留時間縮短，影響其散熱效果。對于油側，試驗過程中流量保持不變，當總換熱量增加時，油側的進出口溫差增加。

圖4 空氣側和油側進出口溫差隨空氣流量的變化曲線

圖5給出了空氣側傳熱系數（W/(m2·℃)）與通風阻力（Pa）隨空氣流量（m3/h）的變化關系曲線，可以看出，空氣側傳熱系數一般在 33～52 W/(m2·℃)之間，略高于普通管殼式散熱器（30W/(m2·℃)左右[11]）。空氣側傳熱系數與通風阻力都是隨著空氣流量的增大而增大，這是由于空氣流量的增加，空氣在翅片間擾動加強，對流換熱系數增大，從而傳熱系數增大。同時，空氣與翅片間的摩擦力增大，導致通風阻力增大。

圖5 空氣側傳熱系數與通風阻力隨空氣流量的變化曲線

分析比較關系式（7）,（8）及圖5中兩者的趨勢可以發現，隨著空氣流量的增加，通風阻力的增加幅度遠大于空氣側傳熱系數。因此，在實際使用時，綜合考慮初投資和運行費用，存在一個合適的空氣流量，使散熱器綜合性能最佳。

4 結論

本文對某鋁制板翅式油散熱器的傳熱及阻力特性進行試驗研究，得到相關試驗數據，并據此分析得到平均換熱量，空氣側傳熱系數，通風阻力與空氣流量之間的經驗關系式。研究表明，相比于普通管殼式散熱器，板翅式散熱器的傳熱系數有所提高。對于該板翅式油散熱器，在保持油側流量恒定的情況下，隨空氣流量的增加，平均換熱量，空氣側傳熱系數及通風阻力都隨之增加，增幅分別是空氣流量的0.514、0.218和1.652次方。且通風阻力的增加幅度遠大于空氣側傳熱系數。在實際使用時，應綜合初投資和運行費用情況，選取合適的空氣流量，使散熱器綜合性能最佳。