在冷柜中,如果传热效果不好,那么冷柜制冷速度就会变得很慢,甚至产生不制冷的现象。这是因为冷柜内部热量出不去,导致这样的结果。那么冷柜中那个部件起到传热作用呢?那就是蒸发器。下面就让冷柜价格来讲述它在冷柜中的作用吧。

生活中我们是否经常会有这样的疑问,例如,冬天的棉被经过拍打之后为什么感觉特别暖和?为什么要及时清除冰箱内的结霜,否则耗电量会增加?住新房为什么感觉比住旧房更冷?其实这些现象都离不开一个重要的物理量——导热系数。那么什么是导热系数呢?它的研究经历了哪些阶段?上面提到的现象到底该如何解释?不要急,我们先从导热系数的研究史说起——导热系数的研究历史。

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说起对导热系数的研究,那要追溯到18世纪30年代。英国工业革命催生了“传热学”的兴起。

1、问题的提出

   
(1)霜层及污垢等对传热的影响。蒸发器是通过金属表面对空气进行热交换的。金属的导热率很高,例如:铝的导热系数为203W/(m.K),铜为380W/(m·K),但冰和霜的导热系数分别为2.3W/(m·K)和0.58W/(m·K),要比铜和铝低数百倍。冷柜价格所以蒸发器往面结有较厚的冰或霜时,传热效率就要大为降低。尤其是强近对流的翅片盘管蒸发器,霜层的积蓄将导致翅片间隙缩小甚至堵塞风道,使冷风不能循环,会导致冷柜工作失常。

我们都知道,热量传递有三种方式——传导、对流、热辐射。这三种传热方式的基本理论的确立,都经历了一个特别的过程。为了方便大家理解,就来扒一扒它们的研究史吧!

LED作为新一代的环保型固体照明光源,其发光效率经过几十年的发展已经得到了较大的提高,它具有耗电量小、使用寿命长、安全环保、体积和功率小、配光容易等一系列的优点。随着科技的发展,LED芯片的集成度越来越高。LED的功率越高,它的热流密度会越大。如果热量不能及时地从芯片内部散出去,那么芯片内部的热量会不断积聚,从而导致芯片结温不断地上升。过高的结温会造成光波长的漂移、出光效率降低、芯片加速老化等一系列的问。因此为了保证LED能够在正常温度下工作,必须使产生的热量及时地散发出去。目前LED的发光效率只有10%~20%,其余80%~90%的能量转化成了热能,所以LED芯片的散热变得至关重要。

   
另外,冷柜中蒸发器的传热表面如黏附有污物,也会造成很大的热阻力,影响制冷剂液体润滑表面能力,使传热效率下降。另外,如制冷剂中带有润滑油,也会影响传热。

一、导热研究

很多学者都对翅片散热器进行了研究。Hung-YiLi,Shung-MingChao研究了交错流中板翅式散热器的性能,考虑了冷却空气的雷诺数,翅片高度和宽度对散热器热阻和压降的影响。Dong-KwonKim[7]等人研究了在垂直流体流动方向上翅片厚度的变化对散热器散热性能的影响,表明在沿着垂直流体流动方向上逐渐增加翅片厚度可以减少散热器的热阻。AvramBar-Cohen等人研究了最少材料下翅片的最佳阵列,以及不同材料对翅片散热器散热的影响。

   
(2)空气对流速度对传热的影响。通过蒸发器表面的空气流速越高,传热效率越高。直冷式冷柜是靠空气自然对流冷却,如果食品之间和食品与柜内壁之间没有适当的间隙,而挤得很满、很紧,空气就不能正常对流,因而降低了蒸发器传热效率。强迫对流冷却的蒸发器,风速过低或风道不畅都会使传热效率越低。

18世纪至19世纪初,英国化学家布莱克提出“热素说”,认为热是一种没有质量,没有体积的流体物质,热素可以进入一切物体内部,物体含有热素越多,温度就越高,反之则越低。这显然是一种错误的解释,因为它不能解释摩擦生热的现象。

研究中针对一款实际使用的散热器进行了优化分析,应用ANSYS有限元软件并且结合正交设计法对这款分布式200WLED路灯的散热器进行结构参数的优化,如图1所示。大功率LED灯具的正常使用温度是65℃以下,因此本文优化的主要目的是保证LED灯具在正常温度下工作,并且在此基础上使散热器的质量更轻。

   
(3)传热温差对传热效率的影响。蒸发器与周围空气的温差越大,蒸发器的传热效率越高:当温差相同时,冷柜内温度越高,传热效率越低。

1798年,伦福特钻炮筒大量发热试验和1799年的戴维用两块冰摩擦生热转化为水的实验,推翻了这一假说,确立了热源来源于物体本身内部的运动。

2、散热器分析模型

   
(4)制冷剂特性对蒸发器传热影响。制冷剂沸腾(汽化)时的散热强度、制冷剂的导热系数大小及流速都会直接影响蒸发器的传热性能。制冷剂沸腾时散热强度随受热表面温度与饱和温度之差的增大而增高。K值增大则传热面积可相应减小。冷柜中制冷剂流速大则传热系数也大。R134a传热效率比R12差,也稍差于R600a,而R12的传热效率最好。

1804年,毕渥根据实验提出了每单位时间通过每单位面积的导热热量正比于两侧表面温差,反比于壁厚,比例系数是材料的物理性质。

2.1 传热基本形式

 

1822年,傅里叶发表《热的解析理论》,正确概括了导热的实验结果,被称为“傅里叶定律”,公式如下:

自然界的热传递有3种基本的方式:热传导、热对流和热辐射。在LED散热系统里,这3种热传递方式都存在。出于可靠性和成本的考虑路灯散热器一般采用自然对流散热形式。因此LED散热器的分析模型可以简化成不考虑热对流和热辐射的热传导传热模型。这样在不考虑热对流和热辐射的情况下能够满足散热,那么在实际情况下它一定是符合散热要求的。

其中为单位时间内传导的热量,为材料的导热系数,A为热量通过的截面积,为垂直于截面上的温度变化率。

对流换热的热流量可以用牛顿冷却公式表示

他推导的导热微分方程是导热问题正确的数学描写,成为求解大多数工程导热问题的出发点。因此,傅里叶被公认为导热理论的奠基人。

式中A为散热面积,h为对流换热的表面传热系数,Δt为温差,并规定温差始终为正值。

传导过程的特点是物体各部分之间不发生相对位移,依靠分子,原子及自由电子的热运动传递能量。固体,液体,气体都会发生热传导。

从式子(1)可以知道,对流换热热流量的大小与散热面积、温差和表面传热系数有关。因此可以增加散热面积来增强散热器的散热性能。

举个简单的例子,对于导电的固体(如金属)来说,自由电子的运动在导热过程中起着主要的作用。

2.2 散热器模型的建立

二、对流传热

散热器结构如图2所示,其总体尺寸为300mm×600mm×110mm,它具有空间对称结构,因此温度场模拟时只取其1/2进行分析。散热器的基板呈弧状,基板上形成6×20的LED阵列(图中从左至右依次为1W、3W、1W、1W、3W、W1阵列);其共有5对翅片,翅片的左下缘在圆柱面上;中间的2个圆柱孔起支撑作用,顶上的弧形结构起辅助作用。与传统的散热器相比较,该散热器具有以下2个方面的优点:①散热器的翅片呈水平,灰尘和污垢不容易在翅片上堆积,还能够防雨,这样可以保证散热器的散热效果。而传统的散热器其翅片是竖直的,灰尘和污垢很容易在翅片上堆积,影响散热器的散热效果。②散热器的翅片呈水平,充分地利用了空气动力学,空气的浮力能够降低路灯对其灯杆的弯曲扭矩。这样可以保证LED路灯的安全性能。

1823年,维纳提出流动方程可以适用于不可压缩的流体,该方程1845年经斯托克斯完善,建立了流体流动的基本方程。

对与空气接触的散热器外表面均设为自然对流,对流传热系数为10W/(m2·K)。散热器的2个圆柱孔是通过2个支架起支撑作用的,其内表面没有与空气接触,可以定义为绝热。由于灯罩的密封作用,剩下的散热器表面也定义为绝热。散热器的材料为铝合金104,其导热系数为147W/(m2·K)。环境温度设置为35℃。LED热源的尺寸与散热器基板的尺寸相比要小得多,因此可以将LED热源简化为点热源。散热器的有限元模型如图3所示。

1880年,雷诺提出一个无量纲的物理群(雷诺数)概念,1880-1883年间,雷诺进行了大量实验,发现管内流动层流向湍流的转变发生在雷诺数1800~2000之间,该发现对指导实验研究具有重要意义。

3、散热器结构参数的优化设计及结果分析

1904年,普朗特提出边界层的概念。

3.1正交试验设计

1909年和1915年,努赛尔发表两篇论文对强制对流和自然对流的基本微分方程及边界条件进行量纲分析,获得了有关无量纲数之间的原则关系。

正交试验设计法是一种高效率、快速、经济的设计方法。文中研究散热器不同的结构参数对其温度场的影响,为了缩小运算规模,设计了正交试验对散热器结构进行多次的热分析。试验选取翅片厚度、翅片间距、翅片外轮廓半径以及基板厚度作为设计变量,并把散热器的最高温度和散热器的质量作为试验的指标。考虑到散热器的模具设计以及整个LED路灯结构大小的限制,确定各个设计变量的取值范围:翅片厚度2~4mm,翅片间距6~8mm,翅片外轮廓半径176~180mm,基板厚度5~9mm。每个变量取3个水平,因此该试验为4因子3水平试验,可选用L9(34)正交表。因子和水平设置表如表1所示。

1921年,波尔豪森在流动边界层概念的启发下又进行了热边界层的研究。1930年,他与施密特与贝克曼合作,成功求解了竖壁附近空气的自然对流传热。

表1 因素和水平设置表

单纯的流体的对流传热过程与传导过程不同,它是物体各部分之间发生了相对位移,如热对流,热的气体向上扩散,冷的气体向下沉积,达到传热的效果。

3.2试验结果分析

三、辐射传热

试验结果如表2所示。

1889年,卢默等人测得了黑体辐射光谱能量分布的实验数据。

利用极差分析法对表2中的正交试验模拟结果进行分析,见表3至表6。

19世纪末,斯特潘和玻尔兹曼建立了著名的斯特潘——玻尔兹曼定律,即黑体辐射力与绝对温度的四次方成正比的规律。

在模拟的范围内,通过表3~表6各个因素对试验指标的极差,可以知道散热器各结构参数对其质量和散热性能的影响大小情况。各因素对散热器质量影响的主次顺序为:翅片厚度、基板厚度、翅片外轮廓半径和翅片间距;各因素对散热器最高温度影响的主次顺序为:翅片间距、翅片厚度、翅片外轮廓半径和基板厚度。

1900年,普朗克提出了“能量子”假说,即认为能量并不是连续的,而是一份一份的传播。

通过表3-表6各个因素不同水平下试验指标的平均值,可以确定各因素的优化水平组合。对于散热器质量这个试验指标,其最优化水平组合为:A1
B3 C1 D1;对于散热器最高温度这个试验指标,其最优化水平组合为:A1 B1 C3
D1。

热辐射过程的特点是,它是自然界各种物质通过电磁波的形式传递热量的一种方式,这种方式与传导和对流不同的特点是不需要介质,真空条件也可以进行热辐射,其热辐射的能力取决于物体的温度。

以上2个指标单独分析出的优化水平组合不完全一样,对于因素A和D,毫无疑问,取A1和D1;对于因素B,其对散热器最高温度的影响排在第1位,对散热器质量的影响排在最后,因此B因素取B1;对于因素C,其对散热器质量和最高温度的影响次序是一样的,但是当C因素取C1时,散热器质量比取C3时降低了3.1%,而散热器最高温度升高了1.2%,故C因素取C1。综上所述,各因素的最优水平组合为A1
B1 C1 D1,也就是表2中的第1号模型结构。图4所示为A3 B2 C1
D3组合的散热器温度场分布图,其他组合的分析类似。

导热系数与我们生活的密切联系

4、结论和展望

唠完了导热系数的研究历史,相信大家对它有了一个初步的了解,接下来我们就要进入今天的重头戏了——开篇提到的几个生活现象,到底跟导热系数有着怎样的关系呢?想知道的小伙伴们,跟着一起往下看吧!

通过ANSYS有限元热分析并结合正交试验法,分析不同结构参数对分布式高功率LED路灯散热器的稳态温度场的影响,得到了较优的参数组合。这不仅保证了散热器的散热效果,而且还可以帮助企业降低其成本,获得更好的经济效益。因此这种优化方法对于推广LED灯具具有非常重要的作用和意义。

问题1:冬天,棉被经过晒后拍打,为什么觉得特别暖和?

对这个问题的解释,首先很自然的想到太阳晒过后,棉被变暖和,是因为太阳光(电磁波)的辐射传热。可是,如果是在冬天的早上,没有阳光或者阳光不强的时候,为什么通过拍打棉被也可以使得棉被变暖和呢?

原来,经过拍打之后的棉被,大量的空气进入棉絮空间,使得棉被变的蓬松,而空气的导热系数要远远低于棉絮的导热系数,这样使得棉被整体的导热系数比拍打前降低很多。导热系数越低,保温效果就越好,因此,拍打棉被可以提高棉被的保温效果,所以即使在阳光不充足的情况下,棉被也会变得更加保暖。

问题2:为什么要及时清除冰箱里的结霜,否则耗电量会增加?

对这个问题的解释,主要应考虑“结霜前”与“结霜后”冰箱发生的变化。冰箱的制冷主要是通过液态的制冷剂流减压后汽化吸热,在蒸发器中通过蒸发器的管壁传递热量至热的空气,使得冷藏室或冷冻室的热空气温度降低,这里面存在蒸发器的管壁和热空气的换热过程。如果冰箱冷藏室或冷冻室的壁面温度很低时,热空气会遇冷凝华,直接从气态变成固态,即“结霜”,所产生的“霜”在蒸发器和热空气之间形成了一个热阻,因此,要使得冷藏室或冷冻室达到相同的温度,必须使得空气压缩机的功率提高,这样才能获得温度更低的制冷液,以及制冷液的汽化吸热量。因此,当冰箱结霜时,如不及时清除结霜,耗电量会增加。

问题3:住新房和住旧房的感觉是否一样?

我们是否会有这样的感受,刚刚盖好的新房,装修入住时会感觉很冷,而住老房子反而会感觉暖和点?其实,这里也蕴含着导热的知识。新房和旧房的差别主要体现在建筑材料的含水上。新房由于刚刚建好,其混凝土,还有各种涂料都含有较多的水分,这些水分填充在砖瓦的孔隙中,使得墙壁整体的含水量较高。而住的老旧的房子,这些水分都得到充分的挥发。由于水的导热系数(0.6W/(m•K))远大于空气(0.026W/(m•K)),所以使得含水墙壁的导热系数(1.0W/(m•K))大于干燥墙壁的导热系数(0.35W/(m•K))。

问题4:在寒冷的北方地区,建房砖采用实心砖还是空心砖好?

这个问题的解释与问题1类似,主要问题在于空心砖中含有大量的空气,而空气的导热系数远小于砖本身的导热系数,而导热系数越小,墙体的保温效果就越好。因此,采用空心砖更能起到保温的作用。其实,在建筑设计方面,建筑保温是一项重要的考虑因素。除了砖以外,其它的例如地面保温、室内墙体保温、屋顶、外墙保温,应用非常广泛。地板下铺的挤塑板,外墙中的岩棉,这些都是重要的建筑保温材料,这些材料往往具有多孔结构,有些材料的孔隙率甚至超过99%,其目的也是利用空气的导热系数远低于固体,达到保温隔热的效果。