李建华杨洪海*吴亚红张卫锋丁振芳

1东华大学环境科学与工程学院

2无锡方盛换热器股份有限公司

0 引言

铝制板翅式散热器具有传热效率高、质量轻、结构紧凑、适应温度范围广等特点，在石油化工、工程机械、航空航天等领域得到越来越多的广泛应用。其中，翅片是板翅式散热器最基本也是最核心的元件，作为二次传热表面，增加了单位体积的传热面积，强化了传热效果，使散热器体积大大缩小，节约设备材料，降低制造成本[1]。常见的翅片类型有平直，波纹，锯齿，多孔，百叶窗及钉状等。相对于平直型翅片，其他几种翅片可以增加流体流动的雷诺数，提高换热效率，但同时也增加了流动阻力[2-3]。在翅片通道中，常用的流动换热介质有水，空气和油等。其中，以空气和油为冷热介质的散热器普遍应用于各式各样的工程机械中，如：挖掘机、装载机、推土机、起重机等。

对于油散热器，现有的文献研究较多集中于仿真计算，对锯齿型、波纹型等板翅式油散热器进行内部流场，传热性能及其影响因素的研究[4-9]。结果表明，对于锯齿型与波纹型板翅式散热器，其强化传热的主要机理是流动边界层周期性地发展与破坏。设计合适的翅片形状及结构，选取了合理的流动速度，均有利于强化换热。

王迎新[10]等采用风洞实验方法，针对车用发动机机油冷却器，选取了4个主要厂家生产的同一型号的8个锯齿型板翅式冷却器，进行了传热和阻力特性的实验研究。结果表明，由于生产工艺的不同,各厂家的机油冷却器传热性能和阻力特性有较大的差异。由此可见，在实际生产应用中，有必要对特定的板翅式散热器进行传热与阻力性能的试验研究，找出其更适合自身的经验关系式。

本文以空气、油为冷热介质，利用风洞试验台对某款铝制板翅式油散热器进行传热与阻力性能的试验研究，分析空气流量对其性能的影响规律。

1 试验装置

1.1 试验试件

本文所研究的散热器外形为长方体，如图1（a）所示。散热器芯体的冷空气侧为波纹型翅片，如图1（b）所示。油侧为锯齿型翅片，如图1（c）所示。试验试件的具体型号及翅片结构参数见表1和表2。

图1 试验试件及翅片结构示意图

1.2 试验系统

试验系统由风系统和油系统组成，如图2所示。风系统主要由空气稳流器，风管，电子测风仪，风机及变频器等组成，进口空气温度控制在20±0.3℃。油系统主要由储槽，热源（加热器），泵及涡轮流量计等组成。油侧采用46号液压油（比热容Cpo=2.03 kJ/(kg·℃)，密度ρo=868.019 kg/m3)，试验过程中，控制油侧流量3.60±0.01 kg/s。

图2 系统示意图

1.3 测量系统

1）空气、油进出口温度。测量油温的温度传感器采用PT100铂电阻，精度为B级，在板翅式散热器芯体进出口管道上测量，空气的进出口温度采用PT100温度变送器在进出风口测量。

2）空气、油的流量。采用涡轮流量计测量油的体积流量，其精度为0.25%，空气的流量采用电子测风仪测量。

3）试件前后的压差。在试件前后的风道上开设静压孔，静压孔连接成环状，油侧前后的压差采用压差传感器在芯体的进出管道上测量，其精度为0.5%。

1.4 数据采集系统

由智能数据采集模块完成传感器测量信号的采集，并与计算机连接，完成数据的记录和存储。试验数据是在试验工况稳定后进行采集的，每次工况稳定时间约为15 min。

2 数据处理

2.1 换热量

1）空气侧换热量：

2）油侧换热量：

3）平均换热量：

式中：Qa为空气侧换热量，kW；Cpa为空气的比热容，kJ/(kg·℃)；ma为空气的质量流量，kg/s；△Ta为空气侧进出口温差；Qo为油侧换热量，kW；Cpo为油的比热容，kJ/(kg·℃)；mo为油的质量流量，kg/s；△To为油侧进出口温差。

2.2 传热系数

空气侧传热系数：

式中：Ka为空气侧传热系数，W/(m2·℃)；A 为空气侧散热面积，m2；△Tm为对数平均温差，℃；Ta2为空气侧出口温度，℃；Ta1为空气侧进口温度，℃；To2为油侧出口温度，℃；To1为油侧进口温度，℃。

3 结果分析与讨论

图3给出了平均换热量Q（kW）随空气流量V（m3/h）的变化曲线，可以直观地看出，平均换热量随空气流量的增大而增大。利用Origin软件对试验数据进行分析处理，可拟合得到如下经验关系式：

图3 平均换热量随空气流量的变化曲线

从图4可以看出，随着空气流量增加，空气侧进出口温差减小，油侧进出口温差增加。因为随着空气流速增加，单位质量的空气在散热器内停留时间缩短，影响其散热效果。对于油侧，试验过程中流量保持不变，当总换热量增加时，油侧的进出口温差增加。

图4 空气侧和油侧进出口温差随空气流量的变化曲线

图5给出了空气侧传热系数（W/(m2·℃)）与通风阻力（Pa）随空气流量（m3/h）的变化关系曲线，可以看出，空气侧传热系数一般在 33～52 W/(m2·℃)之间，略高于普通管壳式散热器（30W/(m2·℃)左右[11]）。空气侧传热系数与通风阻力都是随着空气流量的增大而增大，这是由于空气流量的增加，空气在翅片间扰动加强，对流换热系数增大，从而传热系数增大。同时，空气与翅片间的摩擦力增大，导致通风阻力增大。

图5 空气侧传热系数与通风阻力随空气流量的变化曲线

分析比较关系式（7）,（8）及图5中两者的趋势可以发现，随着空气流量的增加，通风阻力的增加幅度远大于空气侧传热系数。因此，在实际使用时，综合考虑初投资和运行费用，存在一个合适的空气流量，使散热器综合性能最佳。

4 结论

本文对某铝制板翅式油散热器的传热及阻力特性进行试验研究，得到相关试验数据，并据此分析得到平均换热量，空气侧传热系数，通风阻力与空气流量之间的经验关系式。研究表明，相比于普通管壳式散热器，板翅式散热器的传热系数有所提高。对于该板翅式油散热器，在保持油侧流量恒定的情况下，随空气流量的增加，平均换热量，空气侧传热系数及通风阻力都随之增加，增幅分别是空气流量的0.514、0.218和1.652次方。且通风阻力的增加幅度远大于空气侧传热系数。在实际使用时，应综合初投资和运行费用情况，选取合适的空气流量，使散热器综合性能最佳。