喷塑涂层对散热器散热量影响的实验研究

摘 要：为了确定散热器外表面的喷塑涂层对散热量的影响情况，按照国家标准规定的测量方法，测量了椭圆管卫浴散热器在不同涂层颜色、不同涂层厚度及不同表面光泽度条件下的总散热量，并结合散热器散热量的理论计算，分别对放置状态相同、计算温差不同以及放置状态不同、计算温差相同条件下的散热量进行了比较和分析，结果表明散热器表面涂层的不同处理方式对散热量的影响差别较大，最高能达到8%左右；且散热器的表面涂层存在一个有利于散热的最优厚度。
关键词：椭圆管卫浴散热器 散热量 涂层颜色 涂层厚度 放置状态

引言
随着社会经济的发展，人们的生活水平不断提高，对居住环境的要求也不断提高。安装在室内的采暖散热器除了要满足其主要的散热功能外，它的装饰性、美观性越来越引起了人们的注意。因此，喷涂有各种颜色涂层的散热器应运而生，迅速占有散热器市场。然而散热器的主要功能还是散热，据统计，不同涂层颜色散热器散热量的差别率最高能达到8%左右。因此，在国家大力提倡节能减排的政策引导下，对各种颜色的涂层对散热器散热量的影响进行研究是非常有必要的。本文对不同颜色、厚度的椭圆管卫浴散热器进行了实验研究和理论计算，在实验数据的基础上，分析了涂层颜色、厚度及光泽度在不同温差下对散热量影响的规律，以指导散热器的生产和设计人员的选用。

1实验
1.1实验装置
散热器热工性能实验是在青岛理工大学采暖散热器实验台上实施的，该实验装置符合GB/T13754-92
《采用闭式小室测试采暖散热器热工性能》[1]所规定的各项指标，实验装置如图1所示。

1-检测小室；2-补偿套间；3-试件；4-水冷凝器；5-低位预热水箱；6-电热锅炉；7-高位水箱；8-热水循环泵；9-由压缩机；10-冷凝器；11-表面蒸发器；12-冷却塔；13-冷却水循环泵；14-风机；15-空气电热器；16-电子天平；17-量筒；18-转子流量计；19-换向计时器；20、21、22-热电偶
试验台各项指标为：热媒流量：5～400kg/h 精度：±0.5%；热媒温度：10～100℃ 精度：±0.1；检测小室内参数：基准点温度：17～19℃ 精度：±0.1。
1.2试件
本实验采用试件为椭圆管卫浴散热器，其基本形式、尺寸及放置状态如图2所示。
其椭圆散热管的尺寸为长轴50mm，短轴25mm；联箱管为D型管，尺寸为38mm×35mm；材质为钢管，重量约为7.2kg。试件编号及表面涂层颜色处理参见表1。其中白色亮光涂层h的涂料配方不同于其他的白色亮光涂层。

2测试结果
本实验按照GBT13754—92《采暖散热器散热量测定方法》[1]的规定进行，散热器的散热量通过测量流过散热器的热媒流量（称重法）和散热器进出口的焓差来确定。然后根据实验测试数据，用二元线性回归的方法得出散热器散热的特性公式。即：

式中： ——散热器的散热量，W； ——热媒的平均质量流量，Kg/h； h1——散热器的进口处热媒的焓，J/kg；h2 ——散热器的出口处热媒的焓，J/kg； ——计算温差，℃； tg——热媒进口温度，℃； ——热媒出口温度，℃； ——室内基准点的空气温度，℃；A,B——系数。
实验首先对椭圆管卫浴散热器在标准放置状态下（水平放置）的散热量进行了测试与数据整理，然后对几种有代表性的散热器在垂直放置状态下的散热量进行了测试与数据整理。具体结果见表2-表3：
表2 各种试件在水平放置状态下的测试结果

3实验数据处理[2]及分析
3.1对相同颜色、相同厚度、不同表面处理光泽度的a、b、c三种试件的实验数据进行处理，分别得到相同放置状态下温度与散热量的对比曲线，见图3—图4。并且分别列出了三种试件在不同计算温差下的散热量以及在各种计算温差下的差别率，见表4—表5。

由图3和表4可以看出在水平放置状态下，低温条件下黑色无光散热量最高，与黑色亮光相比可提高12.3%的散热量。黑色亮光散热量最低；在高温条件下黑色亚光散热量最高，与黑色亮光相比散热量提高了1%，差别不大。黑色无光散热量最低，与黑色亚光相比散热量降低了4.1%。由图4和表5可以看出在垂直放置状态下黑色无光散热量最高黑色亮光散热量最低，在低温时黑色无光的散热量提高了4.4%，高温时提高了3.2%,从总体趋势来看两者的差别率随着温度的升高而降低，但对于散热器运行的温度条件下，黑色无光的散热性能始终优于黑色亮光。如图4所示黑色亚光曲线的斜率最大，散热量随计算温差的变化率最大，在计算温差为19.5℃时其与黑色无光散热量的差别率为5.2%，而计算温差为64.5℃时的差别率仅为0.9%。
3.2对相同颜色、相同表面处理、不同厚度的d、e、f、g四种试件的实验数据进行处理，分别得到相同放置状态下温度与散热量的对比曲线，见图5—图6。并且分别列出了试件在不同计算温差下的散热量以及在各种计算温差下的差别率，见表6—表7。


通过曲线对比可以看出在水平放置状态下涂层厚度对散热量的影响比较明显，并且随着计算温差的增加，厚度的影响程度逐渐增大；在垂直放置状态下涂层厚度对散热量的影响并不明显，在计算温差为64.5K时，最高差别率仅为2.1%，此时厚度的选取当以经济性为主。
在表6及表7中以常用涂层厚度d为基准，分别列出了不同厚度的散热器在不同温差时的差别率，可以看出在水平放置时散热器e的散热量最高，且在各个温差时的散热量均高于其他散热器。从总体趋势来看，随着涂层厚度的增加散热量先增加后减小，说明存在有利于散热器散热的最优涂层的厚度。随着厚度的增加散热器热阻增加不利于散热，但表面的光滑度增加，发射率也随之增加有利于散热器的辐射散热，当厚度不超过一定值时表面发射率为影响散热的主要因素，散热器的散热量随着厚度的增加而增加。当厚度超过一定值时热阻成为影响散热的主要因素，散热器的散热量随着厚度的增加而减少。
垂直放置时在低温条件下散热量随着厚度的增加而增加，在高温条件下散热量随着厚度的增加而减小。究其原因，涂层厚度的增加其表面的光滑度、表面发射率增加，因而增加了散热器的辐射散热量。而散热器的辐射散热量占总散热量的比例随着计算温差的增加而降低(在低温条件下约为55%，而在高温条件下约为30%)，因此，在低温时散热量随涂层厚度增加；在高温时自然对流散热量占主导作用，随着涂层厚度的增加，热阻增大，散热器表面温度减小，自然对流散热量减少，导致总散热量减少。如图5与表6所示在水平放置状态下，四种试件在低温时差别率小，在高温时差别率大，也是上述原因所造成的。
3.3散热器表面涂层厚度与散热器散热量的曲线拟合，见图7

3.4对相同厚度、不同颜色及表面光泽度处理的各种试件的实验数据进行处理，分别得到相同放置状态下温度与散热量的对比曲线，见图8—图9。

通过对比可以看出在水平放置状态下，各种涂层的散热器散热量的差别较大。其中喷涂绿色涂层的散热器散热量最高，与其相比，在计算温差为64.5K时，喷涂有白色亮光漆d、白色亮光漆h、白色亚光漆i、黑色亮光漆a、水纹漆k的散热器的散热量分别降低了2.9%、3.5%、4.1%、6.5%、8.4%。而在垂直放置状态下，各种散热器的标准散热量由高到低为白色亮光漆d、水纹漆k、黑色亮光漆a。但各种涂层的散热器散热量的差别并不大。在计算温差为64.5K时，最大的差别率仅为3%。
在图8中可以看出，同为白色亮光涂层的散热器h与d，仅是因为材料配方的不同而造成了散热量的差异，在低温时散热量的差别率竟高达8.2%。
4理论分析与计算

4.2 辐射散热量的确定
因散热器的外表面积远小于检测小室的内表面积，且检测小室内表面的发射率较大，所以散热器在房间内的辐射散热可以看作空腔与内包壁面之间的辐射换热，且认为检测小室内表面各点的温度均相等[5]。则辐射散热量为：

4.3 实验数据与理论计算结果的比较\

从上表中可以看出实验值比理论值偏大，但误差范围均在5%以内，可以说实验数据是准确的，是能够准确反应出应有的客观规律的。

5结论
5.1 散热器表面涂层的不同表面光泽度处理对散热器散热量影响的差别较大，在标准状态下散热量的差别为4%。并且随着计算温差的改变，涂层的表面状况对散热量的影响规律也在改变。因此，要确定有利于散热的表面光泽度处理应视散热器的运行条件而定。
5.2 散热器的放置状态不同其涂层的表面光泽度处理对散热量的影响规律不同。在水平放置状态下黑色亚光涂层有利于散热，而在垂直放置状态下无光有利于散热。因此，散热器的放置状态也是确定涂层表面光泽度处理时要考虑的因素之一。
5.3 散热器的放置状态不同则涂层的表面颜色对散热量的影响规律不同。在水平放置状态下，喷涂黑色亮光涂层散热器的散热量比喷涂水纹涂层散热器的散热量提高了1.8%，而在垂直放置状态下散热量降低了2%。因此，确定散热器表面涂层颜色时要考虑散热器的放置状态。
5.4 散热器涂层颜色不同，其表面光泽度对散热量的影响规律不同。在水平放置状态下，散热器涂层颜色为黑色时光泽度为亮光的散热量在任何计算温差下均高于亚光；而散热器涂层颜色为白色时光泽度为亮光的散热量在任何计算温差下均低于亚光。因此，为提高散热器的散热量，应根据散热器表面涂层的颜色来选择涂层表面光泽度的处理方式。
5.5 散热器在垂直放置状态下的散热量比在水平放置状态下要高，且随着计算温差的增大，两种放置状态的散热量差别也增大。试件a、b、c在计算温差为64.5℃时两种放置状态散热量的差别率分别为7.7%、8.8%、13.2%。可见差别率随着涂层表面亮度的降低而增大。试件d、e、f在计算温差为64.5℃时两种放置状态散热量的差别率分别为7.5%、2.6%、10.5%。可见差别率随着厚度的增加先减少后增大，说明在水平放置状态下涂层厚度对散热量的影响比在垂直放置状态下明显。此结论与图6相对应。
5.6 在水平放置状态下涂层厚度对散热量的影响十分明显，从图5可以看出并不是涂层越薄越有利于散热，因此，为提高散热量要确定涂层的最优厚度。
5.7 即使是涂层的颜色与光泽度相同，如果涂层的材料配方不同则散热器的散热量也有所差别。

参 考 文 献
[1] GB/T13754-92采暖散热器散热量测定方法
[2] 曹玉璋,邱绪光.实验传热学.北京:国防工业出版社,1998:53-69
[3] 张熙民,任泽霈,梅飞鸣.传热学(第四版).北京:中国建筑工业出版社,2001:134-140
[4] 王平.散热器椭圆管外表面自然对流换热准则式的研究.[学位论文].青岛理工大学:王平,2008:41-42
[5] 王补宣.工程传热传质学(上册).北京:科学出版社,1982:273-278
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