49强化散热涂料节能检测方法的研究(薛刚)

强化散热涂料节能检测方法的研究薛刚董存立张雪芳张磊摘要：本文主要是以散热器为载体，自然对流散热理论为基础，模拟大空间散热器散热，给出了测量强化散热涂料散热性质的装置，并提出了代表温度的概念，用代表温度的大小进行曲线比较和散热量计算，用温度区间内节能率的平均值作为某一温度下强化散热涂料节能率的大小。

以此为基础对强化散热涂料进行评价，最后，利用给出的检测方法对两种强化散热涂料进行了检测。

关键词：散热器检测自然对流节能强化散热涂料作为一种新型涂料，提高了散热设备的散热效率，节约了原材料和减少了能源消耗，在节能减排中起到了重要的作用。

为了准确评价散热涂料的节能效果，需要有一套理论评价体系。

毕爱红[1]﹑郭宝民[2]﹑孙元宝[3]给出了判断涂料的降温效果的方法，但针对涂料的散热效果的测试还未见文献报道。

本文主要是以散热器为载体通过测试散热器的散热性能间接评价强化散热涂料的散热性能，给出一种简单，精确的检测强化散热涂料是否节能的方法，使其更好的应用到生活和工业中，达到节能减排的目的。

本实验是在GB/T 13754-92“采暖散热器散热量测定标准”基础上设计的[4]。

1实验装置实验用聚氨脂泡膜板制成两个闭式箱体，其大小为60×60×60cm3，两个长度为200mm的管状散热器，外直径为D=0.0322m，把两个完全相同的散热器水平放置在箱体的中心位置，下面用两个树脂玻璃作成的支架来支撑。

两个阻值为6欧姆电热丝安放在散热器中，两端用导线连接通过箱体上开有的圆孔连接到箱体外的稳压电源上，并且在两个散热管中装相同质量的石英砂，用16路温度传感器测试温度。

试验中采用铂电阻Pt10或铂电阻Pt100，铜-康铜热电偶温度传感器；SWP-MD80多路信号巡检仪；DC POWER SUPPCY WYK-303稳压电源；RS-232 RS-545CONVERTE多路信号转化卡；带有数据采集程序的计算机。

计算机、多路信号转化卡RS-232-485和多路巡检仪之间用连接导线连接。

在距离散热器两端各为80mm的地方以管状散热器圆心为圆心100mm为半径作圆，以竖直向下0°，逆时针方向转为正，在12π处测试两个点A和B的温度,在78π处测试C和D两点的温度，箱体在50，150，250，350mm处E,F,G,H不同高度测试其温度。

在两个相同的散热器上分别涂上强化散热涂料和对比涂料，要求涂膜质量相等，并干燥72小时备用，连好电路。

调节两个闭式箱体的初始温度至一致，打开多路巡检仪、计算机，数据采集程序，记录10分钟的空白数据后打开电源把电压调到10V，开始试验。

2 理论分析本实验有以下几点假设：(1)因环境壁面积大于热管外表面积，因此辐射换热一般可认为是大空间辐射，对流换热。

(2)热管内流体及热管的热容不随时间温度而变化。

(3)考虑小室内的辐射散热时，将其近似看做漫灰-表面辐射散热[5]。

（4）自然对流中参数和时间呈现线性关系。

()T KT (K) 14T π(K) 38T π(K) 12T π(K) 58T π(K) 34T π(K) 78T πT πt333 20.1 20.3 20.8 21.2 21.7 21.9 22 29.2 22.15 343 21.4 21.8 22.1 22.8 23.5 23.6 23.8 32.4 23.925 353 22.8 23.2 23.7 24.7 24.9 25.3 25.8 39.1 26.1875 ()T K0δ%14πδ%38πδ%12πδ%58πδ%34πδ%78πδ%πδ%333 9.26 8.35 6.09 4.29 2.03 1.13 0.68 31.83 343 11.8 8.88 7.63 4.7 1.78 1.36 0.52 35.42 353 12.94 11.41 9.5% 5.68 4.92 3.39 1.48 49.31 363 14.64 13.16 9.47 7.62 6.88 3.19 0.97 55.94表2 2.1代表温度试验中管壁以对流和辐射两种换热方式向外散热，其中对流为主要散热方式[6 ,7]，在传热学中给出了对流和辐射散热量的理论计算中物体，空气的温度都是一个确定值，但是在本试验中，每个点位置的温度都是不相同的。

在测量管壁温度的实际工作中,发现沿圆周方向上不同的测点有不同的测量值[8]，箱体中空气的温度和箱壁的温度也是不相同的，这时必须找一个可以代替管壁温度，箱体中空气温度和箱体壁的温度，此温度即可以进行比较又可以应用传热学上的理论知识进行计算，于是本文提出了代表温度这个概念。

2.1.1散热管代表温度处于环境温度的空气在圆管底部被加热后,在浮升力的作用下,沿圆管外表面上升,在此过程中空气温度不断升高,沿圆管表面热边界层厚度不断增加,在顶部最大。

底部的换热能力最强,顶部的换热能力最弱。

表面温度的分布也应该是不同的,底部温度最低,顶部温度最高。

李丰桐,黄杰在研究中给出用半圆周中点的温度可以近似代替圆周表面的平均温度[9]。

本实验中在距离管两端为80mm 的地方A 和B 处测试两个圆周中点的温度，用平均值作为散热管的代表温度1T 。

2.1.2空气代表温度试验中以管中心为圆心10cm 为半径，以竖直向下为0°，逆时针方向为正，在圆周上不同角度的上测试空气的温度，由表1和表2可以看出在78π处的空气温度和一周上空气温度的平均值误差最小，且在2%之内。

因此完全可以用78π处的空气温度代替一周上的空气温度。

在距离管两端为80mm 处的圆周上，测试78π处C 和D 两个点的温度，其平均值作为与管发生对流换热的空气代表温度0T2.1.3箱体壁面代表温度实验中在箱体一周的四壁面上测相同高度不同的四个位置a,b,c,d 的温度。

用实验数据得到下图：282829292929293030温度/K时间/s由实验得到在相同高度箱体一周的不同位置上温度误差很小，可以认为近似相等。

本实验在5，15，25，35处E,F,G ,H 不同高度测试其温度，用其平均值作为壁面的代表温度2T 。

2.2理论公式用代表温度代入传热学计算公式中，在中性温度为313K-343K 范围内其影响对流和辐射的参数可近似认为和温度呈现线性关系，这样的到了以下的计算关系式。

试验中的常数:D=0.0322m A=0.03220.2π⨯2mσ=85.6710-⨯24/()W m K ∙g=9.81m/s2由于实验中温度采用的是代表温度，所以本文中的中性温度为中性代表温度：mT =012TT + (1)代表温差：T∆=1T -0T4412u T T=- (2)体积代表膨胀系数：α=1mT (3)自然对流中参数和时间呈现线性关系，得到参数和温度的关系式为：663.0610(27340)16.961030m T γ--⨯=--+⨯ (4)r P 0.6940.696(27340)0.69910mT -=--+(5)λ=22(2.96 2.90)10(27340) 2.761010m T ---⨯--+⨯(6)在上面得到的代表温度和参数的条件下，参考大空间自然对流散热得到：32g T DG r αγ∆=(7)1682729160.387(){0.60}[1(0.559/)]r r u r P G N P =++ (8)h uNDλ=， (9) h A TΦ=∆对 (10)根据斯蒂芬-波尔兹曼定律得到：Φ辐=A u εσ (11)总散热量：Φ=Φ+Φ对辐(12)2.3节能率如果一种涂料相对对比涂料在散热效果上起到了强化作用，那么就会有节能率的存在，由于在测试过程中曲线之间的差别在变化，因此节能率的大小在测试的整个过程中是变化的， 本文中给出在某个温度下涂料的节能率大小。

211100%ηΦ-Φ=⨯Φ (13)在电热丝加热的情况下，散热管的温度升高很快，为了更加准确评价涂料的散热效果。

本文在计算某个温度下涂料的节能率大小时，实际上时计算在某一温度区间节能率的平均值即：22nE E E T T T T T T ηηη-+===++=(14)(n 为在此温度区间内节能率的个数)3 实例分析应用上述方法对一种两种强化散热涂料（1#和2#）进行检测，看其相对对比涂料是否起到的预期的节能效果。

在涂有对比涂料的箱体内测试数据为0T 1 和0T 2，涂有强化散热涂料的箱体内测试数据为21T 和22T 。

得到曲线如下：(1)1#涂料的测试分析29293030313132温度/K时间/s1#强化散热涂料测试对比图由上图可以看出，在测试开始时四条曲线的起始点基本重合，这说明了两个箱体的稳定性较好，为测试提供了依据。

开始一段时间 T 02 和T 01没有明显差别，但随着测试时间的增加T 02 和T 01有了明显差别，这说明了在散热管温度较低时1#涂料相对于对比涂料在空气温度上没有起到强化的作用，随着管温度的升高，1#涂料相对于对比涂料在空气温度上起到了明显的强化作用。

在整个测试过程中T 22和T 21曲线始终是没有明显差别，只是 T 22 比T 21略高，这说明了在壁面温度上1#涂料相对于对比涂料在壁面温度上起到了很小的强化作用。

总体来看1#涂料相对于对比涂料在散热上起到了明显的强化作用。

利用（14）得到1#强化涂料的节能率为10.51%(2)2#涂料的测试分析2930303131323233温度/K时间/s2强化散热涂料测试对比图由上图看出在测试的整个过程中T 02 低于T 01 ，T 22低于T 21。

这说明在测试过程中2#涂料相对于对比涂料没有起到强化散热作用，因此也没有节能率可言。

4结论（1）在管状散热器散热中，以管的圆心为圆心做圆，圆周上空气的平均温度可以用78π 处的空气温度来代替。

（2）箱体内在同一高度一周上的温度值温度误差很小可以认为近似相等。

（3）提出了代表温度的概念，根据代表温度对比曲线来评价涂料是否节能，从散热量角度计算温度区间范围内节能率平均值，使其作为某一温度下强化散热涂料的节能率。

符号说明D 散热管外直径（m ）T 空气代表温度（K ）1T 散热管代表温度（K ） 2T 壁面代表温度（K ）mT 中性代表温度（K ）h 空气对流换热系数，20/m W C∙A 散热器的表面积(m 2),Nu 努塞尔数，P r普朗特数，G r 格拉晓夫数，λ空气导热系数 0/m W C∙σ波尔兹曼常数G 重力加速度， 2m /sT∆ 散热器表面的代表温度和空气的代表温度的差值Kα空气体积膨胀系数，1K -γ空气运动粘度，2m/sΦ对为对流散热量，WΦ辐辐射散热量，WΦ总散热量 W参考文献：[1]毕爱红，辛志文，朱金华.红棕色降温涂料的研究[J].上海涂料，2007，45(2):10-13.[2]郭宝民，王正武，姚伯龙.建筑用红外辐射降温涂料的研制[J].涂料工业，2007，37(7):32-35.[3]孙元宝，邱贞慧，杜占合.绿色太阳热反射涂料降温性能研究[J].电镀与涂饰，2006，25(2):22-25.[4] GB/T13754-92,采暖散热器热量测定方法[S].1992.[5]连之伟，顾瑞英，张碧波，廖丕兴，吴业正.室内热源的辐射散热量[J].暖通空调，1997，27：11-14.[6]王晓云. 空气在横管外自然对流中的辐射影响[J ] . 武汉科技学院学报, 2003 , (2) :73 - 75.[7] HORSSAIN M A , KUTUBUDDINM, POP I. Radiation2 conduction interaction on mixed convection from a horizontal circular cylinder[J ]. Heat and Mass Transfer , 1999 ,35 (4) :307 - 314.[8]王晓云.自然对流状态下横圆管管壁温度圆周方向分布[J].哈尔滨工业大学学报,2004,36 (9):1282-1284[9]李丰桐,黄杰. 水平肋片管在自然对流换热条件下表面温度的测定[J ] . 山东建筑工程学院学报, 1999 ,14(4) :52 - 55.。