强制循环顺排矩形针形翅片散热器性能模拟研究文献综述

文献综述

一、换热器的背景

近年来，国内外换热器行业在节能增效、提高传热效率、减少传热面积、降低压降、提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。基于食品、化工、电力、冶金、船舶、机械、石油、制药等行业对换热器稳定的需求增长，我国换热器行业在未来一段时期内将保持稳定增长。

换热器的热损失要少，换热效率要高;流动阻力要小；要有足够的机械强度，抗腐蚀和抗损坏能力要强，维护工作量要少；结构要合理，工作要安全可靠，即零部件之间因为温升而产生的热应力不会导致换热器破裂；要便于制造、安装和检修;经济上要合理，设奋全寿命期的总投资要少，生活热水系统的换热器应易于清除水垢，以上要求常常相互制约，难于同时满定，因此应视具体情况，在换热器的选型和设计中有所侧重，满足工程对换热器的主要要求。因为换热器故障率较低，并且供暖为季节性负荷，有足够的检修时间，生活热水系统暂停供热也不会造成重大影响，所以可不设备用换热器。换热器台数的选择和单台能力的确定应适应热负荷的分期增长，并考虑供热的可靠性。

我国高效换热器产业将迎来黄金发展期，在此背景下我们进行对换热器的研究。

二、换热器简介换热器是以两种不同温度的流体进行热量交换的设备，又称热交换器。换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料，因此，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金属材料以及不锈钢、钛、钽、锆等金属材料制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、体积大、导热差等缺点，用钛、钽、锆等稀有金属制成的换热器价格过于昂贵，不锈钢则难耐许多腐蚀性介质，并产生晶间腐蚀。

换热器的作用可以是以热量交换为目的。即在确定的流体之间，在一定时间内交换一定数量的热量;也可以是以回收热量为目的，用于余热利用;也可以是以保证安全为目的，即防止温度升高而引起压力升高造成某些设备被破坏。换热器的作用不同，其设计、选型、运行工况也各不相同。

热交换器按照传送热量的方法来分：间壁式、混合式、蓄热式等三大类，这是热交换器最主要的一种分类方法。

其中间壁式热交换器应用最为广泛，其又可分为管式热交换器、板式热交换器夹套式热交换器以及各种异形传热面组成的特殊式热交换器的类型。下面介绍三种换热器：

1、板式换热器：板式换热器主要由传热板片、固定盖板、活动盖板、定位螺栓及压紧螺栓组成得新型高效换热器，板片之间用垫片进行密封。由于板片表面的特殊结构，能使流体在低流速下发生强烈湍动，从而强化了传热过程。简图见图一2、管壳式换热器：管壳式换热器又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。见图二

3、板翅式换热器：通常由隔板、翅片、封条、导流片组成。在相邻两隔板间放置翅片、导流片以及封条组成一夹层，称为通道，将这样的夹层根据流体的不同方式叠置起来，钎焊成一整体便组成板束，板束是板翅式换热器的核心，配以必要的封头、接管、支撑等就组成了板翅式换热器。见图三

我国学者对板翅式换热器进行了大量的研究，板翅式换热器在我国工业上也普及开来，翅片的分类也很多，工业上使用的翅片主要为平直翅片、波纹翅片、错位翅片、百叶窗式翅片、多孔翅片、针状翅片等6种。

针翅管作为一种高效强化传热管,具有扩大传热面积,增强流体湍流度,提高传热系数,减少污垢及防止振动的优势。由于针翅管换热器内部结构的复杂性,以往的研究大都集中在实验研究上,在数值模拟方面的研究较匮乏。

在换热器的研究方法上，我们利用计算机软件对其进行了大量的数值模拟计算。在.NET平台上基于C#语言开发了板翅式换热器翅片性能测试实验台测控软件。该系统经过了较长时间的运行测试和使用,结果显示其性能稳定、运行可靠、各项检测精度皆符合设计要求,并具有操作简单、方便、直观等特点,对翅片性能的测试具有较好的实用价值。有的学者利用计算流体力学软件Fluent研究翅片管换热器的换热和压降特性。使用流固耦合准确确定翅片及管内外侧的传热边界条件,并利用场协同理论进行分析。将计算出的结果与试验结果进行比较。结果表明,数值模拟与实验结果吻合较好,数值计算可为换热器的结构优化和产品的研究开发提供依据。

对一种散热器结构，在风扇与散热器间距离不同和不同风速下的散热特性进行了数值模拟。采用ICEPAK软件进行计算，结果显示：风扇与散热器之间存在一个最优的距离，而在CPU工作温度范围内，风速对散热器的影响不是很大。采取数值模拟的方法对CPU散热器进行研究是实验方法的可靠补充，计算所得的结果有助于分析CPU散热器的换热过程，并可为电子设备的设计和改进提供参考。

三、针形翅片的研究进展

针形翅片被应用到各个领域，其中应用在CPU的散热中更为引人关注。21世纪，是信息时代，计算机、手机以及各种电子商品都含有各种处理器，其在运行时产生大量的热量，内部热量的产生会导致严重的过热问题有时候会引起系统的损坏。尤其是在现在的电子系统，集成电路的封装密度每平方米可以高达106个芯片（Naiketal.1987）。根据美国空军的一项研究（Reynell1990）强调，导致航空电子设备系统损坏的四个主要来源分别是温度（~55%）、震动（20%）、过高的湿度（19%）和尘埃（6%）。湿度也是一个与温度有联系的一个现象，因此，总共约74%的故障问题是由于过度的热量导致的。例如，半导体组件的温度不应当超过制造商所建议的温度，通常为65摄氏度，所以可靠地操作就会随之而来。对于为电子设备，从10C增加65C其寿命变为平均损坏时间的一半(Babus'Haqetal.1992)。为了克服这个问题，热力系统具有高效散热片（例如：针形翅片换热器）至关重要。此外，热交换器的优化设计也是很有必要的。

人们对翅片的形状进行了研究，其中有学者对横截面分别为矩形、三角形、抛物线形的平直翅片的热力性能进行了研究，得到了如下结论在充分利用给定单位空间(长方体或正方体)的情况下，矩形翅片具有最大的散热速率，三角形翅片、抛物线形翅片次之，抛物线翅片具有最大的单位体积(基于材料消耗)散热速率，其余二者次之。

关于CPU散热器，有无风扇对其散热效果的影响也很大，没有风扇的散热是自然对流；有风扇的散热，是强制对流。其在散热效率上有很大区别。有学者对在散热过程中风扇的远近对散热器的影响。得到如下结论：风扇与散热器之间存在一个最优的距离，而在CPU工作温度范围内，风速对散热器的影响不是很大。

　自然对流散热这是最经典、最方便的方法,是利用设备中各个元器件的空隙以及机壳的热传导、对流和辐射来达到散热目的。这种方法适用对温度控制要求不高,器件发热的热流密度不大的低功耗电子器件和部件,以及密封或密集组装的器件不宜采用其他散热方法的情况下。这种技术的优点是结构简单,成本低,安全可靠;没有噪声和震动。缺点是热阻大,传热性能差。

其中强制风冷散热这是依靠风扇(常见的有离心式、轴流式、螺旋桨式)等迫使器件周围空气流动,从而将器件散发出的热量带走而达到散热目的的方法。资料表明:当器件发热密度大于0.155W/cm2时,用对流、辐射、传导等自然冷却方式就不能有效地将热量带走,必须采用强迫风冷。我们所研究的正是强制对流矩形针形翅片换热器。

其换热方式主要是对流，我们可以通过ICEPAK对其进行数值模拟计算，更好的研究其性能，更好的应用到计算机领域，解决CPU的散热问题，从而降低机械损坏的概率，从而达到节约资源的目的。

翅片的类型及排布对换热器的性能影响也很重要，翅片间距、翅片厚度、迎面风速以及环境温度对翅片侧流体与壁面之间的表面传热系数以及流动阻力的影响。数值模拟结果表明:随着迎面风速的增加,表面传热系数和流动阻力显著增加;翅片间距对表面传热系数影响不大,但对流动阻力和总散热量的影响显著;表面传热系数和流动阻力随翅片厚度的增加呈单调增加的趋势。

在进行设计前，我们要对散热器的传热机理、传热路线和各传热阶段的热阻进行了定性分析和定量分析,设计了原理结构,建立了传热模型,导出了总传热系数的计算式,并给出了该热管散热器的设计计算实例。

我们在三维坐标下对针形翅片换热其进行数据分析，从不同角度对比起性能。

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