散热器全工况图的绘制
散热器全工况图的绘制 摘要 本文首先对同一散热器按照不同测试标准进行了测试，并结合散热器的实际使用条件，对散热器进行了全工况测试，得出了散热器热特性系数与测试条件无关的结论。在此基础上建立热特性方程，进行数值求解，并利用求解结果绘制了散热器全工况图。利用散热器全工况图，设计人员可以方便地进行非标准工况散热量的换算。关键词 热特性系数 测试标准 全工况图随着计量供热的提出，作为末端设备的散热器，既要求能够提供必要的散热量以满足房间热负荷需求，又必须能够适应用户对室温调节和用热量控制目的。另一方面，散热器的设计工况常与标准测试工况不同，设计时需要对散热器的标准散热量进行换算。所有这些都要求，对散热器的全工况特性有一个全面的了解。本文在对散热器热特性深入分析的基础上，得出热特性系数与测试条件无关的结论。最后建立散热器热特性方程，并绘制散热器全工况图。图1 散热器热工测试系统图1-被测试件；2-低位加热水箱；3-高位加热水箱；4-循环水泵；5-上水；6-旁流管；7-循环管；8-流量测量装置；9-冷水；10-表冷器；11-风机；12-电加热；13-风道；14-空气夹层；15-测试小室1 散热器测试标准对比散热器传热方程为： （1）式中：A、B-散热器热特性系数。上述系数A、B是在标准测试室中得到的。我国使用的散热器测试标准有ISO6149-75和GB/T 13754-92。此外，世界上许多国家都制定有自己的国家标准，如德国标准DIN 4703、美国I=B=R（美国锅炉与散热器制造商协会）标准等。ISO3149-75标准的基本原理是采用闭式隔热冷却小室，在室温恒定条件下进行散热器标准测试。小室与周围环境隔热，被测试件散热量由夹层内的人工冷源冷却介质逼真，以保证小室的恒温条件，冷却夹层和有水冷和风冷两种。所有散热器测试标准基本原理都相同，但在具体技术参数规定上有所不同。表1为ISO3149-75标准与GT/T 13754-92标准的对比。散热器测试标准 表（1） 项目ISO 3149-75GB/T 13754-92项目ISO 3149-75GB/T 13754-92室温1820对流散热器89/7685/75辐射散热器95/7090/70由表1可以看出，国家标准考虑到人们热舒适要求的提高和我国供热系统运行的实际，测试小室内室温由18提高到20，标定流量时的供水温度和供回水温差均有所降低或减小，如辐射器的标定温差由25降为20，对流器的标定温差由12.5降为10。为对比同一散热器在不同测试标准下热特性的差别，作者对天津某散热器厂生产的TLD型对流散热器按不同标准进行了四组测试，结果如下：不同测试标准对比 表（2） 测试工况1 95/70，18测试工况2 90/70，20项目单位工况1工况2工况3项目单位工况1工况2工况3进口温度95.1270.8054.99进口温度90.0070.256.2出口温度69.9855.7245.81出口温度70.0057.448.3基准室温18.2118.1918.31基准室温20.1219.720.5流量kg/h41.8141.7741.92流量kg/h47.1447.247.2计算温差64.3345.0732.09计算温差59.8844.1031.75散热量W1222.43732.56447.32散热量W4096.48702.64433.66测试工况3 89/76，18测试工况2 85/75，20项目单位工况1工况2工况3项目单位工况1工况2工况3进口温度89.1070.5256.2进口温度85.1070.8055.4出口温度76.0061.8750.8出口温度75.0063.5051基准室温18.2618.0618.42基准室温20.1620.3019.91流量kg/h79.4479.2080.1流量kg/h92.2891.8091.02计算温差64.2948.1435.08计算温差59.8946.8533.29散热量W1210.29796.75503.04散热量W1083.95779.37465.77将上述结果汇总于表3和图2。图2散热量与计算温差关系由图2可以看出，四条曲线基本生命，即散热器在不同测试标准下得到的特性系数A、B基本相同。不同测试工况下散热器特性系数对比用表（3）测试工况 1测试工况 2测试工况 3测试工况 4室温 （）18201820流量（kg/h）41.8147.1479.4492.28A值2.97532.76512.90042.984B值1.44551.46211.44941.4427 2 散热器全工况测试由上可知，同一散热器在不同标准测试工况下得到的特性系数A、B基本一致。但就此得出散热器特性系数与测试条件无关的结论还尚欠充分，因为散热器的标准测试工况与实际使用条件有很大不同：在标准工况下，无论是散热器供水温度，还是流量，其变化范围均比在使用工况下散热器实际的变化范围要小，而且不论何种标准测试工况，特性系数A、B均是在定流量条件下得出的。这与散热器的使用工况也有比较大的差别，特别是在计量供热系统中，散热器的变流量调节是用户行为节能的主要手段。因此，有必要对散热器进行全工况测试。为此，作者对天津某散热器厂生产的LLD型对流散热器进行了全工况测试。其中，流量15010kg/h；供水温度9060，结果见表4、表5、图6。流量工况测试（W） 表（4） 流量供水温度90857560150 kg/h1311.501197.00977.36665.67100 kg/h1295.451160.20934.93630.5680 kg/h1258.001119.68904.74614.1350 kg/h1174.091050.63835.75568.0740 kg/h1132.111020.90806.41539.1930 kg/h1066.75961.95754.19508.1120 kg/h923.34843.88693.55473.4710 kg/h603.08533.04-注：1.表中的温度和流量是归整后的数值；2.散热器标准测试室温度20。结果见表5、图3。图2散热量与计算温差关系散热器变流量工况测试 表（5） 供水温度准则关系式相关度R2供水温度准则关系式相关度R290Q=6.8120t1.25790.987475Q=6.5164t1.26120.988285Q=7.7868t1.21960.997460Q=5.8016t1.29090.9661由图3可知，散热器在全工况测试条件下仍保持了较好的一致相关性。3 散热器热特性方程由上分析可和，散热器热特性系数A、B与测试条件无关，即无论是在定流量还是变流量工况下，特性系数A、B只与散热器自身特性有关而与测试条件无关。这样，我们便有可能根据散热器标准测试得到的准则关系式进行散热器热特性方程求解，从而绘制散热器的全工况选型图。散热器在测试工况下，存在如下平衡方程： （2） （3） （4） （5）式中： Q-散热量，W；G：流量，kg/h；tg、th、tn-供、回水温度及室温，；tn-测试室内温度，一般为20或18。式（3-1）（3-4）即为散热器在测试工况下的热特性方程。4 散热器全工况图绘制一般来说，散热器产品样本中给出的散热量是散热器在标准工况下的散热量。当供热系统的设计供回水温度与标准工况不同时，就必须进行标准散热量的换算。同时，为方便设计，设计人员也需要了解散热器在各种工况下散热量的变化。为此，绘制散热器全工况图十分必要。对给定散热器来说，其特性系统A、B可通过标准测试工况来确定，得到A、B即可求解上述热特性方程，并绘制该散热器的全工况图，如图4。其中，A=5.2914，B=1.317，室温20。图中，横坐标为散热器进流量，kg/h；纵坐标为散热量，W。放射状直线为等供回水温差线，上抛形曲线为等供水温度线，虚线为等回水温度线。图4 散热器全工况图（室温20 ）图4中，1为标准工况点，供回水温度95/70，温差25，由横坐标可知流量为42kg/h，由纵坐标可知散热量为1220W。当供水温度保持95不变，流量增大时，散热器工况点将沿95供水曲线由1点向2点移动，2点从回水温度为95/80，温差15，此时，流量为79kg/h，散热量为1370W；当供回水温差保持25不变时，随流量减小，散热器工况点将沿25温差线由点1向点3移动，3点供回水温度为75/50，温差25，此时，流量为26kg/h，散热量为730W。由图4可知，当供水温度不变时，随着流量增大，散热量增加，回水温度升高，且二者表现为相似的趋势，即开始时增加较快，随后逐渐减慢并趋于饱和。对回水温度来说，其饱和温度即为相应的供水温度，因此饱和散热量可表示为： （6） 全工况图可作为设计时非标准工况散热量换算的线算图，避免设计人员进行复杂的公式计算，也可用作散热器热特性分析。对于给定散热器来说，只要已知供水温度、回水温度、供回水温差、流量和散热量五个变量中任意两个，就可由图查得其余三个变量的值。
