空调PTC加热器热分析与工艺参数优化
空调PTC加热器热分析与工艺参数优化
华尔天;张人杰;方吉庆
【摘 要】怎样因材施教针对空调PTC加热器内部温度分布不均匀、换热性能恶化的问题,对空调PTC加热器整体结构进行热分析,提出解决温度分布不均、换热性能较弱问题的应对方法.通过对加热芯的热分析,确定了PTC片排片与空调PTC加热器内部温度分布的关系,并提出了最优排片模型.通过对散热翅片的热数值计算与仿真计算,确定了散热翅片尺寸与换热性能的关系,并以热阻最小为优化目标,进行了散热翅片的参数优化设计.最后设计实验对优化空调PTC加热器与原有空调PTC加热器进行了比对.结果表明:优化空调PTC加热器热阻比原有空调PTC加热器减小5.62％,换热性能更优.
【期刊名称】《浙江工业大学学报》
【年(卷),期】2019(047)004
【总页数】8页(P361-367,374)
【关键词】PTC加热器;结构优化;热分析;实验
【作 者】华尔天;张人杰;方吉庆
【作者单位】浙江工业大学 机械工程学院,浙江 杭州 310014;浙江工业大学 机械工程学院,浙江 杭州 310014;浙江工业大学 机械工程学院,浙江 杭州 310014
【正文语种】中 文
【中图分类】TK124
空调PTC加热器是目前最安全可靠、效率最高和最清洁的电加热器。专家预计，随着电能成本的进一步降低，PTC加热器的市场需求将会有更大幅度的提高。目前，常用的空调PTC加热器主要由PTC发热芯和散热结构两部分组成，常应用于空调辅助加热和取暖器，功率一般在1 000 W以上。由于空调PTC发热片的阻温特性，PTC加热器会产生类似恒温器特点，通过PTC加热器结构设计，提高电能利用效率，是当前PTC加热器设计和制造领域的主要研究内容之一。盛健[1]对3 种空调电辅加热技术进行了比较，结果表明空调PTC加热器成本相对较高，但制热启动快，热功率大，是相对更优的电加热器。Laor等[2]给出了翅片的结构通用性传热微分方程。陈等[3]研究了最小热阻原理在对流换热过程分析与
优化中的适用性。李顺达等[4-5]基于翅片效率，对矩形板翅式换热器结构参数对传热性能的影响进行了分析，结果表明翅片厚度越大，翅片效率越高，单元间距越大，翅片效率越低。夏萍等[6]使用fluent对汽车用PTC加热器的最佳使用性能与湍流强度和流速的变化关系进行了仿真模拟，并根据模拟结果对汽车用PTC加热器的工艺参数进行优化，结合实验，验证了模拟的可靠性。
但是以上研究均是针对散热结构的分析优化。对于空调PTC加热器从热源至散热结构的整体换热能力尚未有研究。同时家用、车用和工业用的空调PTC加热器从结构到设计性能都有着巨大的差别。笔者将在前人的基础上，以空调PTC加热器为研究对象，利用数值计算和仿真模拟的方法对PTC加热器的加热芯与散热结构进行热分析，并根据分析结果进行结构优化。最后设计实验比较优化结果与原有PTC加热器的热学性能。
1 物理模型
空调PTC加热器由加热芯与散热片钎焊制作而成。现有空调PTC加热芯结构如图1所示：δ1=3 mm；δ2=0.05 mm；δ3=0.2 mm；δ4=0.1 mm；δ5=0.5 mm。现有空调PTC散热结构如图2所示：d0=2 mm；H0=12 mm；L0=650 mm；W0=16 mm；δ6=0.5 mm；δ7=0.2
mm。
1—PTC陶瓷片；2—电极条；3—绝缘膜；4—铝外壳；5—胶水图1 PTC加热芯结构剖面图Fig.1 PTC heating core structure profile
图2 PTC加热器散热结构Fig.2 Heat dissipation structure of PTC heater
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2 理论分析
2.1 加热芯热分析
企业经营范围查询加热芯的整体发热速率和温度分布与单片PTC陶瓷片和各层材料的物性参数有关[7-9]。组织部长
假设同一片PTC陶瓷片达到稳态时，其表面温度均匀。则加热芯的导热问题可以看作一维导热问题。其温度分布示意图如图3所示，其结构示意图如图4所示。
图3 加热芯温度分布示意图Fig.3 Schematic diagram of the temperature distribution of the heating core
图4 加热芯传热简化模型Fig.4 Simplified heat transfer model for heating core
热量的传递遵循傅里叶定律[10]为
(1)
式中：φ为热流量，指单位时间内通过某一截面的热量，稳态情况下φ=P额定=1 050 W；λ为导热系数，负号表示传热方向与温度梯度方向相反；A为垂直于传热方向的截面积。
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由于模型关于x轴对称，对于y方向上的热传递，只研究y正半轴即可。设PTC片表面温度为T0，导热胶与电极条接触面温度为T1，电极条与绝缘膜接触面温度为T2，绝缘膜与铝外壳接触面温度为T3，铝外壳外表面温度为两侧接触面温度为T4，Ay=L0×W0=1.04×10-2 m2。根据GB 50176—2005，PTC加热芯各层物性参数如表1所示。
表1 PTC加热芯各层物性参数Table 1 Physical parameters of each layer of PTC heating core参数材料测量或取值导热胶导热系数λ胶水/(W·m-1·K-1)硅铝酸盐0.5胶水厚度δ胶水/mm0.05电极条导热系数λ电极条/(W·m-1·K-1)6063铝合金155电极条厚度δ电极条/mm0.1绝缘膜导热系数λ绝缘膜/(W·m-1·K-1)聚酰亚胺0.9绝缘膜厚度δ绝缘膜/mm0.1铝外壳导热系数λ铝外壳/(W·m-1·K-1)6063铝合金155铝外壳厚度δ铝外壳/mm0.5
各层材料热阻为
各层材料的温度差为
T0(x)-T1(x)=φ·Rhy胶水=10.08 K
T1(x)-T2(x)=φ·Rhy电极条=0.065 K
新年小白兔怎么画T3(x)-T2(x)=φ·Rhy绝缘膜=11.24 K
T3(x)-T4(x)=φ·Rhy铝外壳=0.33 K
可以看到仅考虑y方向上的传热，加热芯的表面温度为PTC片表面温度的一次函数。
同理仅考虑x方向的传热，计算两PTC片中点之间的热阻(δx=0.012 m)为
可以发现x方向上的热阻远远大于y方向，因此其对于温度分布的影响较小。
由于现有工艺的影响，对于同一批次PTC片其居里温度相同，达到稳态时其工作温度在居里温度的0～10 ℃内波动。PTC材料的物理特性如图5所示，图5各符号含义如表2所示。
由图5可知：PTC材料工作温度会影响其工作电阻，从而影响其发热功率。因此不同的PTC片排列方式会影响加热芯的温度分布。PTC片的常温电阻和其工作电阻成比例关系，因此在固定选片的条件下，将功率较大的PTC片均布，可以使加热芯的温度分布更均匀，换热效果更好。利用Matlab，在固定PTC陶瓷片选片的条件下，以整体发热最优为目标对PTC陶瓷片进行优化排片。优化结果如表3所示。
图5 材料温度电阻特性曲线Fig.5 Temperature resistance characteristic curve of material表2 陶瓷PTC元件的参数描述Table 2 Parameter description of ceramic PTC element
参数名称参数描述居里温度TC也称为开关温度,它是PTC半导瓷相变的开始点,一般指PTC元件最小电阻Rmin的2 倍阻值时所对应的温度点(在一定条件下,提高TC可以相应提高加热器的发热功率,但TC过高的PTC片的电极易老化,缩短使用寿命)开关电阻RCTC所对应的电阻值最小电阻RminPTC元件可以达到的最小电阻值最小阻值温度TminPTC元件呈现最小电阻时的温度最大电阻RmaxPTC元件可达到的最高电阻值最大温度TmaxPTC元件达到最高电阻值时的温度最大工作温度TpPTC元件工作范围内的上限温度最大工作电阻RpTp所对应的电阻值标准室温T25标准室温25 ℃常温电阻值R25标准室温时PTC元件的电阻值
表3 固定选片时整体发热的单目标最优排列
Table 3 Single objective optimal arrangement of overall heating for fixed selection
ΩR1R2R3R4R5R6R7R8R92 7502 5002 0001 7501 2503 0001 0001 5002 2502 7502 5002 0001 7501 0003 0001 2501 5002 2502 7502 5002 0001 5001 2503 0001 0001 7502 2502 7502 5002 0001 5001 0003 0001 2501 7502 250
利用HT-02型红外热像仪测量达到稳态后的4 种排片方式和原有排片方式PTC加热芯的表面温度，结果如图6，7所示。

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