Experiments on the design parameter of radiators

我国供暖散热器设计选用时所采用的各种数据和修正值，长期沿用原苏联的设计资料，为了能够适应我国散热器的设计工作的需要，提高热能的有效利用率，在研究我国供暖散热器工作特性的基础上，尽快编制出适应国情的散热器设计选用参数体系，是建筑发展的需要。 　　由中国建筑标准设计研究所组织，有清华大学、中国建筑科学研究院空调所、哈尔滨建筑大学、中国建筑学会暖通空调委员会工程性能测试小组和北京散热器厂共同参加的《采暖散热器设计参数试验研究》课题小组，自1989年起，在我国现有的三个散热器标准检测室进行了三百余次的试验，完成了课题规定的研究内容；在此基础上，提出了符合我国国情、接近实际和可供设计人员使用的供暖散热器设计参数。这项研究成果于1992年12月通过了建设部科技发展司组织的专家鉴定。 1 实验研究的条件 　　1．1 样片 　　　1．1．1 依据原则 　　　①形式 目前推行的标准型，以及少数应用比较普遍的型式； 　　　②性能 技术指标良好且质量比较稳定的产品； 　　　③提供单位 取得供散热器生产许可证、有一定规模和生产能力的厂家。 　　　1．1．2 确定的实验样片为： 　　　钢制柱型散热器 GZ4-1.6/6型 　　 　　　　　　　　GZ3-1.2/5型 　　　钢制板型散热器 GB2-10/5型 　　　　　　　　　　GB2-6/5型 　　　钢制闭式串片型 GCB70-1型 　　　散热器 GCB120-1型 　　　钢制扁管型散热器 GBG/DL-450型 　　　灰铸铁柱型散热器 TZ4-6型 　　 　　　　　　　　　TZ4-5型 　　 　　　　　　　　　TZ2-5型 　　　　　　　　　　　 813型 　　　灰铸铁长翼型散热器 TC0.20/5型 　　　　　　　　　　　 TC0.28/5型 　　　灰铸铁圆翼型散热器 TY1.0型 　　　灰铸铁柱翼型散热器 　　1．2 主要实验条件 　　散热器热工性能试验，是本项课题研究的主要途径。国际标准的散热器检测装置，是以散热器在密闭小室内散热为基本特征的，这种试验条件尽管与实际房间不同，但是，其实验结果所具有的稳定性和精确度，却是在实际房间实验时难以达到的。因此，利用闭式小室对散热器在不同的型式、连接方式、片数或长度、热媒、流量和表面涂料等条件下散热量变化的规律进行实验研究，以得出满足工程设计要求的结论，是不成问题的。 　　为了给出闭式小室的实验结果与实际工程设计选用值的修正，即解决国际标准检测值的实用性问题，中国建筑学会暖通空调委员会工程性能测试小组在北京散热器厂专门设计建立了符合实际使用条件的模拟实际工程散热器热工性能试验室。同时，我们还利用哈尔滨建筑大学的实验研究成果，并参考了一些在实际房间内散热器热工性能实测结果的报道，以便得出比较可靠的结论。 2 研究内容及结果 　　2．1 采用同样连接方式、不同热媒，散热量与计算温差关系的变化 　　目前供暖系统采用的热媒是热水或蒸汽，本项研究对以高低温热水和高低压蒸汽为热媒时，散热器热工性能的变化进行了实验。 　　进口温度的选择： 　　热水：65℃，75℃，95℃，110℃，130℃，150℃ 　　蒸汽：102℃，135℃，145℃，153℃ 　　对TZ2-5，TZ4-6-5和TC0.28/5散热器的实验证明，使用不同热媒时散热量的差异将随计算温差的增加而变大，但在工程常用的温度范围内，其散热量之差不大于3.5%，如表1所示。因此，从工程实际出发，可以将常温条件下的热工性能检测公式，直接用于高温条件的散热量计算。 表1 TZ2-5型散热器以热水或蒸汽为热媒时的散热量对比 散热量经验公式 蒸汽 热水 Q1=4.080ΔT1.376 Q2=5.266ΔT1.317 ΔT/℃ Q1 Q2 |(Q1-Q2)/Q2|×100% 84 1813 1802 0.63 117 2861 2788 2.6 127 3202 3106 3.11 135 3483 3366 3.50 　　2．2 热水流量的对散热量的影响 　　随着散热器内水流量的变化，散热量也将发生变化。实验表明，散热器按通常的上进下出方式连接，相对流量GX（实际流量G与标准流量Gb之比）小于1.5时，散热量随GX的增加而显著提高，当GX大于1.5以后，这种增热明显变缓，增益不大。这一规律可以表达成多变量函数形式，为： 　　　　　　Q=QΔTBGC 　　还有另一种函数形式为 　　　　　　Q=AΔTB[G/（m nG）] 　　式中，A,B,C,m和n是不同型式散热器按各种方式连接时，由实验确定的参数，其中，指数B和C（或m，n）分别反映了计算温差和流量对散热量影响的程度。 　　应当指出的是，当散热器连接方式不同时，这种变化趋势虽然存在，但散热增势有所不同。所以，在考虑热水流量G的影响时，还应该注意散热器连接方式的影响。如10片TZ4-5型散热器，在流量G≯400kg/h的范围内，同侧上进下出连接时，这种关系为 　　　　　　Q=4.623ΔT1.315G0.018 　　而异侧下进下出连接时，则为 　　　　　　Q=2.700ΔT1.272G0.162

2．3 不同连接方式时散热量的变化
　　散热器进出口连接方式对散热量的影响是不可忽略的。在工程设计时，通常采用的连接方式有：同侧或异侧的上进下出连接，异侧上进上出、下进下出和下进上出连接。国外也有在片式散热器上采用异侧上进上出的连接方式，为此在本项研究中也对这种连接方式做了实验。
　　以热水为热媒的实验表明，在标准流量条件下，散热器连接方式不同，其标准散热量也不相同，而且上进下出接法，无论同侧异侧，散热量基本相同且为最大；此外，各种型式散热器，下进上出接法时散热量均为最小，而钢制板型散热器，由于结构关系，在下进下出接法时散热量最小。
　　异侧上进上出是一种特殊的连接方式，据国外文献介绍，这种方式不仅技术合理，而且成本较低，可降低工程造价。本次实验研究表明，采用不着进上出连接方式的铸铁TZ2-5型、TZ4-5型和TC0.28型散热器，随着流量逐渐增加，散热器上部首先被加热，而散热器下部形成冷热分明的"冷袋"。随后，上部热表面逐渐扩大，下部"冷袋"逐渐缩小为冷的死角，当流量升至某一流量G_q时，"冷袋"迅速消失，整个散热器表面温度均匀，工作正常，这时，散热器的散热量可达标准散热量0.9倍以上。我们将G_q定义为散热器在上进上出连接时的启动流量。图1为TZ2-5型散热器按上进上出方式连接得到的Q-G实验曲线。可见，在工程中若采用上进上出连接方式时，必须保证系统的实际流量大于启动流量，才能产生理想的散热效果。
　　
　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　图1 铸铁TZ22-5型散热器上进上出连接时流量对散热量的影响
　　
　　2．4 表面涂料对散热量的影响
　　散热器表面少料不同，使散热器表面辐射黑度不同，这对于通常采用的以辐射为主要散热方式的散热器（Radiator）来其影响是值得注意的。据了解，有的国家已有文规定，在散热器表面不得涂饰含有金属的银粉漆、金粉漆等。这一规定无疑对提高散热器热工性能和降低供暖设备初投资有积极意义。虽然早已做过散热器表面涂料对散热量影响的实验研究并积累了很多资料，但在本课题中仍安排了一必要的实验内容（见表2），以进一步确认这一影响的存在，并作出定量分析。
　　实验结果说明，在确定散热器表面涂料时，应尽量不采用银粉漆等，这样利于散热器的辐射传热，其结果是能使散热量提高10%以上。当然，如果所选用的是对流器（如各种带外罩的对流器，甚至折连的串片散热器等），由于其辐射传热比例小，涂料的影响可忽略。

　　表2 散热器表面涂料善对标准散热量的影响/W

散热器型式 片数（长度）	GCB120-1 1m	GB1-10/5 1m	TZ4-6-5 10片
银粉漆	1001	898	1224
有光磁漆	1007
无光漆		1097
调和漆	1013	1111	1375

　　2．5 散热器片数或长度对散热量的影响
　　检测散热器热工性能时，规定试验片的条件为每组10片或1m，所以，设计资料中，一般按W/片或W/m给出散热器的散热
量。在设计选用时，在组散热器的片数或长度都不相同，因而就需要将单片或1m的散热器量，折算成实际选用条件下的散热
量。
　　虽然现有的设计手册中给出了散热器片数或长度对散热量的影响及修正系数，但所列产品型式较少，未能包括目前通过的各种形式，而且所列系数或源于国外手册，或取自国内零散的实验参数。为此，本课题投入了较多的力量，进行散热器片数或长度修正系数的实验研究。所选样片的片数变化为3,4,6,8,10,12,14,16,20,25共10种，长度变化为0.6m，1.0 m，1.4 m，1.8 m共4种。取不同片数（长度）时的散热量G_p，与10片（或1m长度）时同型散热器的标准散热量G_B之比，定为修正系数ε，在计算时加修正。对钢制板型散热器的实验结果列于表3。

　　表3 散热器长度对散热量的影响

样片名称	规格型号 1m	标准散热量GB /W	Gp / GB =ε
			0.6m	1.0m	1.4m	1.8m
板型散热器	GB2-0/5	1077	1.024	1.000	0.989	0.982

　　例如，所选该型钢制板型散热器为L=0.60m时，其散热量为

　　Q=ε·L·G_B =1.024×0.6×1077=662W

　　分析各种散热器的实验结果，可以发现一个规律，即：无论形式如何，当散热器片数小于10片，或长度不足1m时，修正值大于1，而当片数大于10片，或长度大于1m时，修正值将小于1。这说明散热器片数或长度较小时，有效散热量较大。

　　2．6 散热器在上进下出连接时水流阻力
　　在供暖系统水力计算时，要确定热媒流经散热器处的局部阻力。由流体力学可知：散热器的阻力大小，不仅与流量（流速）有关，还与散热器的结构和流通路径有关。为此，本课题对散热器在较大流量（流体阻力平方区）时，上进下出连接方式下的水流阻力进行了实验。部分实验结果见表4。
　　表4 散热器阻力系数（G=250kg/h）

散热器型式	片数或长度	同侧上进下出	异侧上进下出
TZ4-6-5	10片	1．0	1．1
TC0.28	3片	1．0	1．2
GB1-10/5	1．0m	5．4	5．9
GCB120-1	1．0m	3．8	/

　　2．7 闭式小室检测值的工程实用性
　　我国依照国际通用方法，根据ISO标准，已制订并颁布了采用闭式小室进行散热器热工性能检测的国家标准，使散热器牌严格控制的环境中，精确测量其散热能力。闭式小室检测台的建立和使用，对于我国供暖散热器的产品开发和标准化，是关键性的条件和保证。
　　但是由于闭式小室与实际房间的条件不同，在设计选用散热器时，能否直接使用闭式小室的检测结果，或者说，散热器在闭式小室和实际房间中，散热量是否有所不同，是一个为设计工作者所共同关心的问题。有关这问题的分析讨论已有报道，目前使用的《供暖通风设计手册》中也有标注："（闭式小室）测试数据比实际使用情况的条件差，在实际情况下传热系数将比表列数据略高些，……"。但是，由于是我国的研究工作开展不多，故无定论。
　　针对这个问题，北京散热器厂专门建立了模拟实际工程散热器热工性能试验室。这个装置参照使小室换气次数保持在0.5h^-1左右。在试验室与闭式小室试验台上进行了多项次的对比实验，得出了结果，见表5。

　　表5 模拟实际工程散热器热工实验室对比试验结果

散热器型号	GCB120-1	TZ4-6-5	GB2-10/5
闭式小室检测的标准散热量值/W	10033	1319	1076
模拟实际工程试验室测试的散热量值/W	959	1466	1081
对比/%	-7.2	11.0	接近

　　哈尔滨建筑大学曾在实际房间内进行了散热器的热工实验，将散热量与闭式小室的测定结果进行对比，如表6所示。这一结果对本项研究有重要参考价值。

　　表6 散热器在实际房间比闭式小室散热量的提高/%

散热器型号	TZ4-6-5	TZ2-5	钢柱型	串片型	TC0.28	板型
提高数/%	13.5	10.6	10.6	8.4	7.0	6.8

　　此外，太原工学院有关对比的一些测试数据，亦用来作为分析研究的参考。
　　综合以上各项实验研究可以看出，闭式小室检测结果与实际房间的设计使用值是不同的。一般来说，在工程设计时，可以在闭式小室数据上给以附加，这种附加不仅与使用条件有关，而且还与散热器的型式或传热方式有关。从实验结果看，辐射器的差异较大，而对流器差异略小。
　　但对表5中出现的串片散热器散热量降低的情况应做何解释，还待进一步研究。

3 结束语

　　散热器设计选用参数的实验研究，已取得了一定成果，得出了符合我国散热器产品现状、适用于工程设计选用的参数（在工程常用范围内），完成了课题的任务。这一课题完成的意义在于，我国有了自己的设计参数系列，填补了供暖设计研究领域的一项空白。当然，本项实验研究涉及的一些方面，如散热器实际设计修正值与散热器形式之间的关系、散热器上进上出连接方式的应用、散热器在不同安装条件下的散热等，还有待深入进行。从这个意义上说，本课题的研究工作还仅仅是个开始。
　　我们期望，适合于我国供暖工程设计需要的《供暖散热器设计选用参数手册》尽早面世，以飨读者。

4 参考文献

　　1 散热器标准JGJ 29.1-32-86.
　　2 EE卡尔毕斯等，张国铭等译，中央采暖与通风系统的设备，建材出版社。