小热管换热器散热效能试验设计与多因素分析

摘要：建立了一套用于测试小热管换热器散热效能的试验装置,根据正交试验设计安排进 行试验测试并进行分析。

热管换热器应用领域主要包括两大类:余热 回收与各类电子电器设备散热[1-2]。

在电子电器设备的散热应用中评价热管换热 器性能的指标,除了换热器的总换热系数,还强 调热管换热器的散热效能,即在一定的冷、热风 进口温度下热风温度的降低程度。对于常用的翅 片管而言,管内热阻与管外翅片的接触热阻及管 外空气侧的热阻比约为2:1:7[3-4],管外换热 是制约换热器散热效能的主要因素。管外的对流 换热主要受翅片结构、尺寸以及翅片管束间流体 流速的影响。传统研究局限于对单个影响因素的 分析。文章利用试验设计与方差分析,研究各因 素及各因素间的交互作用对小热管换热器散热效 能的影响程度。

1小热管换热器的试验研究

1·1试件特征与试验系统

试验所用烧结吸液芯小热管的小热管换热器 外观尺寸参数如图1所示,单位均为mm。小热 管管壳与翅片材料均为铜,管内工质为水,管外 径为6mm,内径为5mm,吸液芯球形颗粒直径 为50μm,空隙率为0·7。小热管换热器多用在 气-气换热场合,因此,试验装置采用气-气换 热方式测试。测试装置如图2所示,主要由两路 风道组成:分别是冷风、热风风道。两风道均由 多段组合而成,分别是换热器测试段,稳流前后 段,加热段(热风道)和流量测试段。热风采 用电加热方式。

1·2测试评价指标与试验因素选择 分析时选择热流体的温度效率εh(也称为散 热效能)作为评价热管换热器性能的指标[5-6]。

式中:Thi、Tho和Tci分别代表热风进、出口和冷 风进口的温度。

考虑到小热管换热器的使用场合,试验时选 择冷风进口温度15℃,热风流量70m3/h,影响 因素与水平的选择见表1。

A(Vc)、B(Thi)和C(θ)分别为冷风流 量、热风进口温度与小热管换热器工作倾角。

2试验结果与分析

根据表1所选择的因素及对应水平,采用考 虑因素之间交互作用的三因素三水平的正交试验 设计,安排27次试验,利用图2中所示的试验 系统对图1中的小热管换热器进行散热效能测 试,正交试验表与试验结果见表2。AB表示由 A、B因素的交互影响,AC与BC含义也类似。

对A、B和C三因素进行极差分析得表3, 表中k1,k2与k3分别表示各因素在三个水平下 各次试验值的平均值。由于这里考察的参数是小 热管换热器的散热效能,当然是越大越好,因此 三因素对散热效能影响的显著性排序为:因素A (冷风流量)的影响最显著,其次是C(倾角), B(热风进口温度)最末。进一步观察,可发现 因素A、C水平越高则散热效能越高,即增大冷 风流量与升高倾角均能提高散热效能。

根据表2计算得正交试验结果的方差分析表 (表4)。查F分布表,检验水平α=0·01的临界值F0·01(2,8)=11·26,F0·01(4,8)= 7·01,检验水平α=0·05的临界值F0·05(2,8) =4·07,F0·05(4,8)=3·84。将表4中各因素 及交互作用的F值与临界值进行比较,因素A 的F值大于临界值F0·01(2,8),因素C的F值 介于临界值F0·01(2,8)和F0·05(2,8)之间, 因素B及各因素之间的交互作用的F值均小于 对应的临界值F0·05(2,8),F0·05(4,8)。因 此,可以判断因素A对小热管换热器散热效能 的影响是最高的,因素C的影响较高,因素B 及各因素之间的交互作用均不明显。

3结论

(1)0°~20°倾角内,冷风进口温度为 15℃,热风流量为7 0m3/h,冷风流量在30~ 90m3/h范围内,烧结吸液芯小热管换热器的散热效能在0·27~0·39之间;

(2)增大冷风流量与升高倾角均能提高烧 结吸液芯小热管换热器的散热效能;

(3)正交试验结果的方差分析表明,冷风 流量对散热效能的影响最高,倾角的影响较高, 而热风进口温度及三者间两两交互作用的影响均 不明显。

参考文献

[1]庄骏,张红·热管技术及其工程应用·北京: 化学工业出版社,2000

[2]SATHE.Reviewofrecentdevelopmentsinsomepracti- calaspectsofair-cooledelectronicpackages.Journal

of HeatTransfer,TransactionsASME,1998,120 (4):830-838

[3]刘卫华·百叶窗型和波形管片式换热器性能实验研 究·石油化工高等学校学报,1996,9(2):49-53

[4]陈楠,申江等·管翅式表冷器数值模拟与性能 分析·低温与超导,2003,31(2):60-64

[5]TanJ.O..LiuC.Y..Predictingtheperformance of aheatpipeheatexchangerusingtheNTUmethod.Int. J.ofHeatFluidFlow,1994,11(4):376-379

[6]KaysW.M.,LondonA.L..CompactHeatEx- changerDesign,3rded..NewYork:McGraw-Hil,l 1984