铜管铝片对流散热器的型式设计及应用问题

核心提示： 本文仅对我国多年使用的对流型散热器，特别是近几年发展起来的铜管铝片对流散热器的型式设计及工程应用问题进行分析和探讨。对其中的一些主要问题进行论述，并提出一些具体的改进措施和建议，可供同行参考。

关 键 字：铜管铝片对流散热器的型式设计及应用问题 铜管铝片 对流散热器

  我国是一个采暖大国，960万平方公里的国土中有70％是采暖区及有采暖要求的过渡区，散热器采暖是这些区域中最主要的采暖方式，年需散热器3.0亿片以 上（折合铸铁四柱型）。在各类散热器中，其与房间空气的换热方式，主要是辐射和对流。对散热器本身而言，对流型散热器基本是以对流换热方式进行散热，辐射 散热份额极少。一般称谓的辐射散热器，其总散热量中也有70％上下为对流换热，辐射换热仅占20~30％，虽然如此，习惯上亦称其为辐射散热器了。

在近百年的历史长河中，欧洲充分发展了以钢制板型、柱型为代表的辐射散热器，并成为市场的主流，这一形势也对中国产生了巨大的影响；而北美国家则充分发展 了铜管铝片对流型散热器，并成为其市场的主流。我国在七十年代初期开始引进生产钢串片对流散热器。第一个产品是在北京饭店中应用，为直片焊接型。由于我国 经济发展水平较低，开始时强调了经济性而把外罩舍弃。其后的折边对流散热器是很大的改进，适合中国当时的国情，所以得到了很好的发展。但是对钢制散热器而 言，管片的紧密结合是我国长期以来不易解决的难题。上世纪九十年代，我国即有铜管铝片对流散热器引进（外资企业），从而带动和促进了我国对铜铝对流散热器 的认识、生产和发展。但是，由于这一产品的特性及国内技术条件与国外的差异，在产品型式、构造、测试和工程选用等方面，都存在一些问题。本文力图根据多年 的设计实践对其中的一些问题进行探讨，以与同行磋商。

1 铜铝对流散热器在工程应用中的问题

1.1 使用条件：

1.1.1 保证水温与资用压头：由于该型散热器的特点是水阻力较大，且散热量随水流速的变化极大，以及散热量随水温的变化率也较大，所以选用时首先要求热网在水温及压头方面的保证。

1.1.2 避免混装：基于上述特点，如该散热器与其他水阻较小的其他散热器混装，那此散热器必然吃亏，过水量较少。如在一栋楼内混装就很难调控；如在一个建筑群中按 楼混装，理论上可通过各楼热力进口的调节进行水力平衡，实际上由于我国调节水平较低，较难实施。而对某些用户而言，如果正处于水力失调的不利区，就会把因 失调造成的影响叠加到该散热器身上，从而扩大和加重了该型散热器在社会上的负面影响。再加上对流散热器是以对流换热为主，散热器表面手感不热及该散热器低 水温时的散热量衰减较其他散热器较大等因素，就更是雪上加霜。

1.2 正确设计计算与选用

1.2.1 注意测试条件与工程条件的差异

我国的相关国家标准中，对流散热器散热量的测试条件是按热媒水的进出口温差为12.5℃进行的（其他散热器为25℃），这就使在标准测试条件下得到的散热 量是在通水流量比其他散热器大一倍的条件下测得的，相当于对流散热器两组串联后热媒水才能达到25℃的温降。这一工况在工程中是基本没有的。双管并联系统 中每组散热器都是相对独立的；有闭合管的单管串联系统就散热器本身的过水量而言，基本与双管并联接近，但每组散热器的进水温度不同；顺序式单管串联系统 中，热媒水全部通过各层（水平串联中为各组）散热器，器内水流速会比双管并联系统时提高很多。设计手册中对垂直单管系统的适用层数定为十二层（主要受立管 直径的限制），这时立管（或通过各散热器）的水流量即为双管并联系统中一个散热器的12倍，或为对流散热器测定时测试水流量的6倍。这些问题，在工程设计 人员选用本型散热器时首先应当考虑并进行折算，特别是应用于双管并联及有闭合管的单管系统中时更须注意。因为实际工程中散热器水流量的减少，必然使散热器 的散热管内水流速降低，从而达不到测试报告提出的散热量数值。对于串联组数大于3组散热器的情况，由于散热器内水流量大于测试时的流量，散热量会大于测试 报告数值，等于增大了散热器配片数量，这除对造价有些影响外，不会造成配片不足问题。

1.2.2 充分考虑散热器内水流速的影响

该型散热器的构造特点，是热媒水全部直流通过散热管。所以管内水流速对散热管的散热能力（反映为散热器的散热量）影响很大，国内外的有关研究都说明了这一 问题。一般双管并联系统中选择散热器多按进出口温差为25℃进行，这时通过散热器的水量很小。如一组1160W的散热器（即1000kcal/h），共计 算水量仅为40kg/h。如为Dg20单管，其管内水流速不足0.04m/s；而对于各类柱型散热器而言，一组散热器有几十个柱（主柱水道），那各立柱内 的水流速就低到很难计算的数值。按我国现行测试标准，测试时对流散热器管内的水流速会比双管并联时高一倍以上，所以双管并联系统中实装散热器的散热量会小 于标准测试值。串联系统的器内散热管的水流速会大于测试水流速，实装散热器的散热量会大于测试值（在相同水温条件下），所以选择散热器时必须进行水流速修 正。目前的产品样本中多数只给出试验台给出的标准测试数值，而未给出水流速修正系数，这就容易造成工程设计人员的错选错配。根据有关的研究成果看来，就同 一个散热器而言，如果器内水流速从0.91m/s降低在0.04m/s，其散热量的减少，约达35％以上，个别散热器还要高。从0.15m/s（高出我国 测试条件二倍），降到0.04m/s,约减少10％上下。应当要求散热器厂提供水流速修正系数，或者是50kg/h及其他水流量相对应的散热量，水流量为 50kg/h的散热量可用于双管并联系统（包括立式和水平双管并联）。

1.2.3 充分注意罩式对流散热器的特性

散热器散热量的计算公式为：

Q=A·△tB(W)

式中，Q为散热量（W）

A为常数项

△t为散热器与室内空气的换热温差，即散热器内的平均水温减室温，℃

B为指数项，反映不同散热器的特性。

指数B的大小，反映散热量随水温变化曲线斜率的大小。一般柱型散热器散热量计算公式中的B值多在1.1~1.3范围，曲线较平；而罩式对流散热器散热量公 式中的B值多在1.3~1.4的范围，散热量曲线较陡。这就使该型散热器在使用时，当运行水温低于设计水温时的散热量衰减较大，这就是一般所说的低温效应 问题。工程设计者应当分析、复核和注意这一问题，使在低温供水时也能满足用户的要求。特别是对低温热源及其他超低温热源时更要特别注意，要使散热器特性和 工程条件较好的吻合，才能取得良好的使用效果。

1.2.4 注意散热元件（翅片散热管）的污损问题

该型散热器的构造特点是靠散热管加热空气时与室内空气所形成的密度差作为器内空气流通的动力。散热管中的散热片为多片、小间距组合，间距一般为 6~7mm，在使用过程中（特别是住宅、宾馆等类建筑中），各类纤维毛会 随风进入，日久会产生堵塞。这一问题，除了产品要考虑清扫的可能之外，工程设计者也要适当考虑污损造成的散热量减少，但不能按完全堵塞考虑。在空调设备的 风机盘管选用时，也考虑了这一因素。笔者认为，这一污损影响可取5~10%，按工程实际情况选定。

至于出风对墙面的污染，主要是在产品研制时应采用一些避免措施。

1.2.5 注意安装方式及清扫条件

散热器的安装，其离墙距离，几十年来都沿用了柱型散热器原来的要求，离墙50mm。近些年来虽略有调整，但仍有一定距离。对辐射型散热器而言，距墙距离大 对散热量有利；而对对流散热器而言，其散热方式基本是对流，外罩的表面温度很低，所以再要求离墙较远安装好处不多。但如果背罩板不设、直接贴墙安装，又会 造成墙面升温后对室外空气的传热损失增大。笔者建议对流散热器外罩背面保温（或墙面保温）后贴墙安装，这样可减少散热器所占空间尺寸。工程设计者也在可考 虑“轻薄美新”的前提下，尽量选用薄型产品，并尽量选择那些便于拆罩清扫的产品，以保证长期的使用效果。

2 钢管铝片对流散热器型式设计探讨

上世纪七十年代，基于我国的经济发展，作为对流散热器的研究和生产单位，过多的强调了热价格的问题。开始是把外罩撤除，其后稍有进步，用0.5mm钢板制 作外罩。由于该型散热的制造成本，外罩约占30~40%，所以在当时的条件下舍弃外罩也是无可非议的。时至今日，国情有变，人们对散热器的要求有变，热价 对选用者的影响力大为减小。人们对产品的型式、外形、美观等要求提到了相应的高度。就目前市场情况而言，工程市场中，钢制管柱型散热器的热价有的高达 0.7~1.0元／W，铜铝复合柱翼型散热器约为0.25~0.35元／W，铸铁散热器约为0.12~0.15元／W，铜铝对流散热器约为 0.18~0.22元／W。显然，铜铝对流散热器已沦为低热价产品，在轻型散热器中档次处于较低的位置。这实际是对这一产品的损害。就北美情况而言，这一 产品也应用于高档建筑中，但产品必须做成高档产品，而不是一般的粗制滥造。结合我国目前的情况，笔者对该型散热器的型式设计有几点设想，以求与同行进行交 流，促进该产品的建康发展，以形成具有中国特色的实用性强的散热器品种。

2.1 外罩设计：由于过去的几十年中，我们强调和更多的进行了该型散热器的热工研究，使之在散热管研究方面已达到相当的水平，国外几十年来也进行了大量的相关研 究，但我国目前对外罩的理解、认识和重视不够。所以笔者首先提出外罩问题，以求使该产品以新的姿态和面貌问世。具体意见如下：

2.1.1 薄型厚罩（壁厚）、条块并举：结合我国目前情况，对轻型散热器而言，其基本要求可综合为“安全可靠、轻薄美新”。其中“薄”就是指薄型，亦即散热器的厚度 要小。我国过去罩式对流散热器（如钢制翅片管散热器），其厚度以140mm为主，这一尺寸普遍认为厚了一些，希望减薄。笔者认为，铜铝对流散热器的厚度可 取60、80、100、120mm系列，或60、90、120mm系列。60mm的厚度也适合踢脚板安装等使用方式。试验证明，在同一散热元件的条件下， 罩厚增加会提高散热量。但是散热器是一个建筑设备，是在室内使用，有时就不得不牺牲一点热工方面之所长，以换取建筑使用和装修协调等方面之所需。这两方面 之舍取是有条件的，热工要求是前提，但不应绝对化，任何人绝不会把散热为零的东西视作为散热器并安装于室内。

对于外罩所用钢板过去过分追求低价位而采用0.5mm钢板，难以保证耐久性及外形美观，建议采用1.0mm钢板，加上正规而良好的冲压成型，可以保证必要 的平整、线条等外形美观要求。外罩的板面，可借鉴欧洲钢制板型散热器的模样，作成外板（外观似板型）内翅的新型对流散热器。外罩的高度，对散热量的影响极 大，但限于采暖设备安装条件的限制，单根散热管时外罩可取120mm，用于踢脚板安装；二根或四根散热管时外罩可取500及600mm。其他特殊型号可另 行考虑。

该型散热器的突出优点之一是可作成长条连续安装；可极好的与建筑配合，成为建筑的一部分，形成一个完整的线条。而其他独立式散热器则突出其单个安装的优 点。所以开发本型散热器不能只单纯生产的一种，如果这样作，就首先摈除了该型散热器最突出的优点之一，不利于推广。应当是条形和块形（单位式）都要生产。

2.1.2 背面保温、靠墙安装：前已述及，贴墙安装可少占建筑面积，并且使散热器显得较轻巧美观。

2.1.3 横条（孔）出风、外斜导流：出风口目前多为竖形孔，虽然可以使用较小的冲压设备，但形式不美观。建议像风机盘管空调器那样作成横形条孔，而冲成向外斜的导流片，使热气流尽量离墙面远一些，以减少对墙面的污染。

2.1.4 面板可拆、方便清理：前已所述，翅片间距过密会容易引起污物堵塞问题，如不能及时清理，会大大的影响散热。前面板如能拆卸，则提供了清理的可能，有利于保证长期而稳定的散热能力。

2.1.5 保证抽力、减少阻力：如前所述，该型散热器空气流动的原动力，是靠器内外空气温度差而形成的，其计算公式为：

H＝h.△ρ·g

式中H为热压头，Pa；

h为封闭罩内加热中心至出风口中心高度的距离，m；

△ρ为散热器内外空气的密度差，kg/m3；

g为重力加速度，9.81m/s2。

从上式可以看出，当水温已定及散热元件已定时，这一热压头的大小就取决于“h”的大小。所以要在散热器外形高度要求的前提下尽量争取加大“h”值。器内的 散热管应尽量在下部设置。从这一要求出发，下部的进风孔从侧面开启，就减少了封闭罩的高度，对抽力是不利的；而上部的出风口侧开，也减少了h值，也是不利 的。至于出于型式的其他考虑是另一个方面的问题。也有的散热器尽管侧面的下半部开了进风口，但仍有较高散热量，仅此并不能说明抽力未减少，而可能是阻力也 同步减少所致，是一个更复杂的对流换热过程。

出风量的多少，除了与热压头有关外，还取决于空气在流动过程中的阻力，亦即要满足H＞Σ（R·L+Z）的条件。R·L为气流流动过程中的磨擦阻力；Z为流 动过程中的局部阻力，包括进风口和出风口的阻力。由于该散热器内空气流动的复杂性，这一阻力的大小极难计算。但制造者尽量减少出风口的阻力，保证开孔率不 小于散热器平面面积的50％，还是可以做到的。而散热管翅片的间距，绝不能像强制对流的风机盘管那样取2.7mm上下，而应根据自然对流的要求放大，合理 的间距值自然与翅片的形状及尺寸有关。对目前采用较多的矩形翅片而言，大致在6.5~7.2mm范围，过密会使空气流通阻力过大。

2.2 散热器内散热管（散热元件）的制造：作为对流散热器，散热元件的优劣是第一影响因素，有以下几个问题值得考虑：

2.2.1 合理选管、适应系统：散热管是由铜管外串铝片、通过胀管使之紧密结合而制成的。所用铜管的管径，目前有Φ16、Φ21、Φ27mm多种，相当于焊接钢管的 DN15、DN20、DN25。细管多根有利于传热的均匀，可提高散热管的散热效率，但容易引起热媒水的杂质造成管道堵塞。就我国目前热媒水的实际状况而 言，这一问题还是应当充分重视的。而在经济发展水平很高的国家，可能出现堵塞的几率较少。除此而外，还应考虑散热器在采暖系统中的连接方式。对于双管并联 系统（垂直或水平）而言，由于流经散热器的水量很少（进出水温差为25℃），散热管径的选择不宜过大。而对于单管串联系统（垂直或水平）而言，在无闭合管 的情况下，整个串联环路的全部热媒水通过各组散热器。这时随着串联组数的增加，散热器内铜管的水流量也相应增加。现行设计手册的中单管串联的层数为十二 层，所以采暖设计时要控制接管直径，以控制系统管道流速。采暖系统的阻力值包括摩擦阻力和局部阻力两部分，其中局部阻力约占全阻力的50%上下。局部阻力 与管内水流速的平方成正比。采暖系统的阻力计算中，对于散热器形成的阻力是作为局部阻力计算的。其值等于局部阻力系数乘以动压头。动压头计算所用的水流速 为散热器外接管道的水流速，而不是散热器内散热管的水流速。这样一个固定的局部阻力系数不能反映不同长度散热器阻力的差别。此外，采暖系统的配管，考虑了 静度和排气的要求，所配管径较大，管内水流速较低。如果出现配管大于散热器管口的情况，则散热器阻力计算依据的水流速，应改为散热器接管口的水流速。在此 情况下，不仅使散热器阻力增大，而且由于散热器内水流速较高，会引起震动和噪声，在工程设计中这是不适宜的。在以局部阻力系数表示散热器本身阻力大小的情 况下，应当给出不同散热器长度的修正系数，否则很难保证散热器本身阻力计算的准确。误差过大会使整个采暖系统阻力计算失准，给系统配管及运行调节造成极大 的困难。室外热网留给建筑物进口的资用压头，一般为5.0mH2O，而允许建筑物内采暖系统耗用的压头更小，一般为2.0 mH2O上下。所以对于单管串联系统的情况，散热器所用铜管的直径不宜过小，以求散热管内的水流速不致过高，要与串联组数、所配立管直径相调协。虽然从传 热学的角度讲，高流速可强化传热，但局部阻力按管内水流速的平方倍率变化的规律对散热器内的水阻力计算也是同样的，这也是工程设计中必须注意的问题。生产 厂在订货、供货时也应当了解供出产品的设计使用条件，避免出现难以调控的困难，以使该散热器能在适宜的采暖系统设计及运行条件下正常工作。

至于铜管的材质，以选用TP2紫铜管为主，壁厚可按工作压力选定，大都在0.6－1.0mm的范围。其连接弯头可以采用成品弯头或铜管弯管，但应注意弯管后对壁厚的减薄，弯头用管的壁厚应比直管增加一定的厚度，数值应根据工艺及实际情况决定。

2.2.2 片型选择、注意清理：国内外对各种对流换热器中对流片的研究已很充分。对空调所用的强制对流表冷器研究，已证明对光片、波纹片、切口片三种基本片型的散热 效率相差很大，大致为100%、115%、130%，切口片散热效率最高。这一趋势在自然对流时也是一致的，但差别的百分数大小会不同。从热工和使用多种 因素综合考虑，建议按波纹片采用。因为它比光片提高了散热效率，同时也能减少污物积存和便于清理。切口片在清理方而更困难一些。

2.2.3 严格胀管、确保紧密：管与片的紧密结合是实现传热、减小热阻、保证散热器正常散热的关键，生产企业必须确保。胀管量除了考虑铜管外径偏差、串片间隙、铝片 冲孔的内径偏差外，还应增加过盈量。这样在过盈胀管后再加上铝片的回弹，就能够保证管片的紧密结合。胀管方式以机械胀管为宜。长期生产时，模具会磨损，要 及时修整或更换。有的企业，其产品在生产一段时间后其散热量就达不到初始时的数值，究其原因，如果除去人为的片型尺寸变化及其他原因之外，管与片的结合紧 密度不能保证可能是主要原因。至于擅自增大片距、减小片的尺寸等等则不应纳于正常考虑的范围，因为那已超出技术分析的范畴。

综上所述，为了保证铜管铝片对流散热器在我国健康的发展，首先是产品要做好，能够符合“安全可靠、轻薄美新”的综合要求，能够被人们所接受；其次是要调整 测试方法，能够为工程设计和选用提供方便可行、全面可靠的技术数据，包括水阻、温度修正、流速修正、污损修正等各方面；其三是工程设计人员应正确计算和选 用。对这些问题，本文仅提供一些建议和看法，以供同行参考，不当之处，望指正。

山东省建筑设计研究院 牟灵泉 楚广明

中华建规划建筑设计研究院哈尔滨分院 牟 冬

全国采暖散热器委员会 吴辉敏 关惠生