噴塑涂層對散熱器散熱量影響的實驗研究

摘 要：為了確定散熱器外表面的噴塑涂層對散熱量的影響情況，按照國家標準規定的測量方法，測量了橢圓管衛浴散熱器在不同涂層顏色、不同涂層厚度及不同表面光澤度條件下的總散熱量，并結合散熱器散熱量的理論計算，分別對放置狀態相同、計算溫差不同以及放置狀態不同、計算溫差相同條件下的散熱量進行了比較和分析，結果表明散熱器表面涂層的不同處理方式對散熱量的影響差別較大，最高能達到8%左右；且散熱器的表面涂層存在一個有利于散熱的最優厚度。
關鍵詞：橢圓管衛浴散熱器 散熱量 涂層顏色 涂層厚度 放置狀態

引言
隨著社會經濟的發展，人們的生活水平不斷提高，對居住環境的要求也不斷提高。安裝在室內的采暖散熱器除了要滿足其主要的散熱功能外，它的裝飾性、美觀性越來越引起了人們的注意。因此，噴涂有各種顏色涂層的散熱器應運而生，迅速占有散熱器市場。然而散熱器的主要功能還是散熱，據統計，不同涂層顏色散熱器散熱量的差別率最高能達到8%左右。因此，在國家大力提倡節能減排的政策引導下，對各種顏色的涂層對散熱器散熱量的影響進行研究是非常有必要的。本文對不同顏色、厚度的橢圓管衛浴散熱器進行了實驗研究和理論計算，在實驗數據的基礎上，分析了涂層顏色、厚度及光澤度在不同溫差下對散熱量影響的規律，以指導散熱器的生產和設計人員的選用。

1實驗
1.1實驗裝置
散熱器熱工性能實驗是在青島理工大學采暖散熱器實驗臺上實施的，該實驗裝置符合GB/T13754-92
《采用閉式小室測試采暖散熱器熱工性能》[1]所規定的各項指標，實驗裝置如圖1所示。

1-檢測小室；2-補償套間；3-試件；4-水冷凝器；5-低位預熱水箱；6-電熱鍋爐；7-高位水箱；8-熱水循環泵；9-由壓縮機；10-冷凝器；11-表面蒸發器；12-冷卻塔；13-冷卻水循環泵；14-風機；15-空氣電熱器；16-電子天平；17-量筒；18-轉子流量計；19-換向計時器；20、21、22-熱電偶
試驗臺各項指標為：熱媒流量：5～400kg/h 精度：±0.5%；熱媒溫度：10～100℃ 精度：±0.1；檢測小室內參數：基準點溫度：17～19℃ 精度：±0.1。
1.2試件
本實驗采用試件為橢圓管衛浴散熱器，其基本形式、尺寸及放置狀態如圖2所示。
其橢圓散熱管的尺寸為長軸50mm，短軸25mm；聯箱管為D型管，尺寸為38mm×35mm；材質為鋼管，重量約為7.2kg。試件編號及表面涂層顏色處理參見表1。其中白色亮光涂層h的涂料配方不同于其他的白色亮光涂層。

2測試結果
本實驗按照GBT13754—92《采暖散熱器散熱量測定方法》[1]的規定進行，散熱器的散熱量通過測量流過散熱器的熱媒流量（稱重法）和散熱器進出口的焓差來確定。然后根據實驗測試數據，用二元線性回歸的方法得出散熱器散熱的特性公式。即：

式中： ——散熱器的散熱量，W； ——熱媒的平均質量流量，Kg/h； h1——散熱器的進口處熱媒的焓，J/kg；h2 ——散熱器的出口處熱媒的焓，J/kg； ——計算溫差，℃； tg——熱媒進口溫度，℃； ——熱媒出口溫度，℃； ——室內基準點的空氣溫度，℃；A,B——系數。
實驗首先對橢圓管衛浴散熱器在標準放置狀態下（水平放置）的散熱量進行了測試與數據整理，然后對幾種有代表性的散熱器在垂直放置狀態下的散熱量進行了測試與數據整理。具體結果見表2-表3：
表2 各種試件在水平放置狀態下的測試結果

3實驗數據處理[2]及分析
3.1對相同顏色、相同厚度、不同表面處理光澤度的a、b、c三種試件的實驗數據進行處理，分別得到相同放置狀態下溫度與散熱量的對比曲線，見圖3—圖4。并且分別列出了三種試件在不同計算溫差下的散熱量以及在各種計算溫差下的差別率，見表4—表5。

由圖3和表4可以看出在水平放置狀態下，低溫條件下黑色無光散熱量最高，與黑色亮光相比可提高12.3%的散熱量。黑色亮光散熱量最低；在高溫條件下黑色亞光散熱量最高，與黑色亮光相比散熱量提高了1%，差別不大。黑色無光散熱量最低，與黑色亞光相比散熱量降低了4.1%。由圖4和表5可以看出在垂直放置狀態下黑色無光散熱量最高黑色亮光散熱量最低，在低溫時黑色無光的散熱量提高了4.4%，高溫時提高了3.2%,從總體趨勢來看兩者的差別率隨著溫度的升高而降低，但對于散熱器運行的溫度條件下，黑色無光的散熱性能始終優于黑色亮光。如圖4所示黑色亞光曲線的斜率最大，散熱量隨計算溫差的變化率最大，在計算溫差為19.5℃時其與黑色無光散熱量的差別率為5.2%，而計算溫差為64.5℃時的差別率僅為0.9%。
3.2對相同顏色、相同表面處理、不同厚度的d、e、f、g四種試件的實驗數據進行處理，分別得到相同放置狀態下溫度與散熱量的對比曲線，見圖5—圖6。并且分別列出了試件在不同計算溫差下的散熱量以及在各種計算溫差下的差別率，見表6—表7。


通過曲線對比可以看出在水平放置狀態下涂層厚度對散熱量的影響比較明顯，并且隨著計算溫差的增加，厚度的影響程度逐漸增大；在垂直放置狀態下涂層厚度對散熱量的影響并不明顯，在計算溫差為64.5K時，最高差別率僅為2.1%，此時厚度的選取當以經濟性為主。
在表6及表7中以常用涂層厚度d為基準，分別列出了不同厚度的散熱器在不同溫差時的差別率，可以看出在水平放置時散熱器e的散熱量最高，且在各個溫差時的散熱量均高于其他散熱器。從總體趨勢來看，隨著涂層厚度的增加散熱量先增加后減小，說明存在有利于散熱器散熱的最優涂層的厚度。隨著厚度的增加散熱器熱阻增加不利于散熱，但表面的光滑度增加，發射率也隨之增加有利于散熱器的輻射散熱，當厚度不超過一定值時表面發射率為影響散熱的主要因素，散熱器的散熱量隨著厚度的增加而增加。當厚度超過一定值時熱阻成為影響散熱的主要因素，散熱器的散熱量隨著厚度的增加而減少。
垂直放置時在低溫條件下散熱量隨著厚度的增加而增加，在高溫條件下散熱量隨著厚度的增加而減小。究其原因，涂層厚度的增加其表面的光滑度、表面發射率增加，因而增加了散熱器的輻射散熱量。而散熱器的輻射散熱量占總散熱量的比例隨著計算溫差的增加而降低(在低溫條件下約為55%，而在高溫條件下約為30%)，因此，在低溫時散熱量隨涂層厚度增加；在高溫時自然對流散熱量占主導作用，隨著涂層厚度的增加，熱阻增大，散熱器表面溫度減小，自然對流散熱量減少，導致總散熱量減少。如圖5與表6所示在水平放置狀態下，四種試件在低溫時差別率小，在高溫時差別率大，也是上述原因所造成的。
3.3散熱器表面涂層厚度與散熱器散熱量的曲線擬合，見圖7

3.4對相同厚度、不同顏色及表面光澤度處理的各種試件的實驗數據進行處理，分別得到相同放置狀態下溫度與散熱量的對比曲線，見圖8—圖9。

通過對比可以看出在水平放置狀態下，各種涂層的散熱器散熱量的差別較大。其中噴涂綠色涂層的散熱器散熱量最高，與其相比，在計算溫差為64.5K時，噴涂有白色亮光漆d、白色亮光漆h、白色亞光漆i、黑色亮光漆a、水紋漆k的散熱器的散熱量分別降低了2.9%、3.5%、4.1%、6.5%、8.4%。而在垂直放置狀態下，各種散熱器的標準散熱量由高到低為白色亮光漆d、水紋漆k、黑色亮光漆a。但各種涂層的散熱器散熱量的差別并不大。在計算溫差為64.5K時，最大的差別率僅為3%。
在圖8中可以看出，同為白色亮光涂層的散熱器h與d，僅是因為材料配方的不同而造成了散熱量的差異，在低溫時散熱量的差別率竟高達8.2%。
4理論分析與計算

4.2 輻射散熱量的確定
因散熱器的外表面積遠小于檢測小室的內表面積，且檢測小室內表面的發射率較大，所以散熱器在房間內的輻射散熱可以看作空腔與內包壁面之間的輻射換熱，且認為檢測小室內表面各點的溫度均相等[5]。則輻射散熱量為：

4.3 實驗數據與理論計算結果的比較\

從上表中可以看出實驗值比理論值偏大，但誤差范圍均在5%以內，可以說實驗數據是準確的，是能夠準確反應出應有的客觀規律的。

5結論
5.1 散熱器表面涂層的不同表面光澤度處理對散熱器散熱量影響的差別較大，在標準狀態下散熱量的差別為4%。并且隨著計算溫差的改變，涂層的表面狀況對散熱量的影響規律也在改變。因此，要確定有利于散熱的表面光澤度處理應視散熱器的運行條件而定。
5.2 散熱器的放置狀態不同其涂層的表面光澤度處理對散熱量的影響規律不同。在水平放置狀態下黑色亞光涂層有利于散熱，而在垂直放置狀態下無光有利于散熱。因此，散熱器的放置狀態也是確定涂層表面光澤度處理時要考慮的因素之一。
5.3 散熱器的放置狀態不同則涂層的表面顏色對散熱量的影響規律不同。在水平放置狀態下，噴涂黑色亮光涂層散熱器的散熱量比噴涂水紋涂層散熱器的散熱量提高了1.8%，而在垂直放置狀態下散熱量降低了2%。因此，確定散熱器表面涂層顏色時要考慮散熱器的放置狀態。
5.4 散熱器涂層顏色不同，其表面光澤度對散熱量的影響規律不同。在水平放置狀態下，散熱器涂層顏色為黑色時光澤度為亮光的散熱量在任何計算溫差下均高于亞光；而散熱器涂層顏色為白色時光澤度為亮光的散熱量在任何計算溫差下均低于亞光。因此，為提高散熱器的散熱量，應根據散熱器表面涂層的顏色來選擇涂層表面光澤度的處理方式。
5.5 散熱器在垂直放置狀態下的散熱量比在水平放置狀態下要高，且隨著計算溫差的增大，兩種放置狀態的散熱量差別也增大。試件a、b、c在計算溫差為64.5℃時兩種放置狀態散熱量的差別率分別為7.7%、8.8%、13.2%?？梢姴顒e率隨著涂層表面亮度的降低而增大。試件d、e、f在計算溫差為64.5℃時兩種放置狀態散熱量的差別率分別為7.5%、2.6%、10.5%。可見差別率隨著厚度的增加先減少后增大，說明在水平放置狀態下涂層厚度對散熱量的影響比在垂直放置狀態下明顯。此結論與圖6相對應。
5.6 在水平放置狀態下涂層厚度對散熱量的影響十分明顯，從圖5可以看出并不是涂層越薄越有利于散熱，因此，為提高散熱量要確定涂層的最優厚度。
5.7 即使是涂層的顏色與光澤度相同，如果涂層的材料配方不同則散熱器的散熱量也有所差別。

參 考 文 獻
[1] GB/T13754-92采暖散熱器散熱量測定方法
[2] 曹玉璋,邱緒光.實驗傳熱學.北京:國防工業出版社,1998:53-69
[3] 張熙民,任澤霈,梅飛鳴.傳熱學(第四版).北京:中國建筑工業出版社,2001:134-140
[4] 王平.散熱器橢圓管外表面自然對流換熱準則式的研究.[學位論文].青島理工大學:王平,2008:41-42
[5] 王補宣.工程傳熱傳質學(上冊).北京:科學出版社,1982:273-278
本文來自：http://www.53442.com.cn/news/1/340.html