利用位移设计增强自然对流散热器

转自International Journal of Heat and Mass Transfer国际传热与传质杂志

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119757

研究背景

提高散热器性能的技术主要集中在热边界层中断和翅片诱导上。而且，这些研究大多只报道了实验结果，没有进一步详细分析物理现象。因此，本研究提出了一种基于两片垂直板间气流温度分布来提高翅片阵列热性能的新设计。在这种设计中，交替翅片可以在垂直方向上上下移动，以延缓两个连续翅片之间边界层的合并。实验也验证了所提出的设计。同时，利用确定性筛选设计方法(DSDs)对散热器参数的影响进行了数值分析。本研究选择了用于电子冷却应用的市售散热器的尺寸。高度与翅片间距比的最大值和最小值分别为10和2，长度与翅片间距比的最大值和最小值分别为30和8，热流密度分别在120 ~ 450Wm−2之间变化。

研究内容

实验装置示意图如图1所示，包括试验箱、散热片试验段、供电系统和数据采集系统。试验箱的尺寸为2.2 m x 1.0 m x 1.1 m，其有效体积几乎是测试截面的1700倍。因此，腔室表面对气流循环的影响可以忽略不计。测试室由亚克力板制成，将测试室与外部空调空间分开。请注意，在实验期间，空调空间保持在25°C左右的几乎恒定的温度。为了保证实验室内温度的稳定性，在远离散热器的三个点和靠近散热器的两个点测量温度。稳态的标准是在所有的实验条件下温度读数应该是相同的。在整个实验过程中，热电偶测量的温度偏差在±0.1°C以内，以确保稳态。注意气流没有从测试箱的顶部和底部被阻挡，在实验过程中，测试箱是打开的。只有外壳的四个侧面是封闭的，以防止任何从外部夹带的空气。其他研究也采用了类似的概念。

图1 试验部分详细信息。

具体几何参数如图2所示。为了尽量减少测试过程中辐射传热的影响，翅片表面进行了精细抛光，发射率为0.02。相应的发射率由发射计测量(TSS-5X型，日本传感器公司制造，精度为1%)。在这方面，辐射的影响可以忽略不计。

图2 散热器几何参数。

两个连续的翅片在散热器阵列中形成一个通道。在有和没有翅片位移的情况下，沿通道的边界层发展示意图如图3所示。在所有情况下，附面层都在翅片壁上发育，并沿着翅片的长度生长。两个相邻的附面层最终在某一点相遇，从而形成充分发展的流动。翅片间距越大，边界层合并时间越长。对于更大的间距，两个发展的边界层在离开变化后可能不会相互合并。自然对流作用下两翅片间边界层的发展示意图。另一方面，对于窄间距翅片，边界层很早就在翅片通道的入口合并，从而产生较高的HTC之间。在完全发达的地区，温度梯度相对较小，因此提供了低得多的HTC。在这方面，强化传热的策略是延迟边界层合并。因此，利用翅片位移可以有效地延迟边界，如图3所示。

图3 自然对流作用下两翅片间边界层的发展示意图。

图4表示了位移对散热器性能有相反影响的情况下的空气温度分布(R∗= -1.3%)。此时S、L、H、q分别为9mm、80mm、35mm、450wm−2。由于翅片间距较大，相应的入口区域较宽。因此，边界层合并发生在离入口最远的地方。在这种情况下，更宽的翅片间距既不会延迟边界层合并点，也不会导致通道顶部的温度降低。图8(b)表示小间距下的空气温度分布图。在这种情况下(S、L、H、q分别为5mm、80mm、50mm、450wm−2)，翅片的位移可使散热器的散热性能提高13.2%。这种传热性能的增强是由于较小的翅片间距增加了入口区域的长度。

图4 温度云图对比。

在相同工作条件下，应将带翅片位移的散热器与基本散热器(无翅片位移)的体积占用率进行比较。图5为传统散热器(A)和另一种翅片置换散热器(B)，两者在空间中所占体积相同[X × Y × Z]。散热器A的L为140mm, d为0mm;散热器B的L为100mm, d为20mm。两种散热器的特性相同，S = 3mm, H = 30mm，工作条件Tbase = 75℃，Tamb = 20℃。两个散热器的质量、传热面积和热阻之比以[(NA−NB)/NA] × 100%计算，其中NA和NB为无位移散热器A与有位移散热器B的比较项。即使A的换热面积比B大27.4%，但B的热阻却比A小430%，因此可以认为置换技术是比增加翅片长度更好的选择。此外，在相同体积占用的空间中，散热器B的质量比传统散热器A少28.7%，这使得置换技术与传统技术相比更具经济效益和环保可行性。

图5 传统散热器和带位移散热器占用的体积。

总结与展望

本文研究了在定常和自然对流边界条件下，垂直矩形翅片散热器翅片间施加位移对空气冷却的影响。施加热流密度、间距、长度、高度和位移范围分别为120wm−2 ~ 450wm−2、2mm ~ 9mm、30mm ~ 150mm、15mm ~ 50mm和0 ~ 0.3 L。根据试验结果和详细的数值模拟，得出以下重要结论:基于一年的模拟结果，得出了以下结论:

1 .提供的位移能使散热器的热阻降低60%，但如果翅片间距过大，位移的效果会被抵消。

2散热器翅片间距对采用置换设计的热增强作用最大，其次是翅片长度，最后是翅片高度。热通量的影响可以忽略不计•Therminol VP-1和2% TiO2纳米粒子的年有效能、有效火用能和净功率分别达到33.20 MW、14.48 MW和9.42 MW，年平均总效率、火用能和ORC效率分别达到95.35%、43.90%和28.56%;

3 .提供低间距的位移，充分降低了压力，并能诱导上层附近的环境空气与主流混合，从而导致散热器热性能的额外增强。然而，证明大间距位移对于减小完全发育区域的长度是徒劳的，从而略微抵消了散热器的性能;

4.对于翅片位移情况，长度越大，增强效果越明显。这是由于充分开发的区域占据了散热片的较大部分。

5 .由于翅片的位移导致翅片上部温度下降，如果该部分的空气温度同时下降，则可能导致HTC降低。

6.对于翅片位移的情况，在位移长度达到0.3 l之前，传热性能的可检测改善是可以看到的，超过这个阈值，进一步的传热增强是非常小的。

7.即使视野因子增加，由于散热器上部表面温度的降低抵消了视野因子增加的好处，因此可以注意到辐射传热的减少。

8.在固定体积下，带位移翅片的换热性能优于常规翅片。