Svojstva prijenosa topline metalnih pjena s otvorenim ćelijama

Metalna pjena je vrsta multifunkcionalnog kompozitnog metalnog materijala koji sadrži određeni broj, određenu veličinu pora i određenu poroznost u metalnoj matrici. Pjenasti metal ima jedinstvene strukturne karakteristike kao što su velika specifična površina, velika poroznost i mala gustina i ima multifunkcionalne kompozitne karakteristike kao što su rasipanje topline (otvorena ćelija), toplinska izolacija (zatvorena ćelija), apsorpcija zvuka i prigušivanje vibracija, lagana , visoke specifične čvrstoće, elektromagnetne zaštite itd., i to je vrsta strukturalnog i funkcionalnog materijala koji integriše svojstva termofiziku, mehaniku, akustiku i elektricitet.
Zametalna pjena s otvorenim ćelijama, visoka poroznost i složena trodimenzionalna mrežasta struktura čine da ima vrlo dobro rasipanje toplote i visoku efikasnost prijenosa topline, što ima vrlo široku perspektivu primjene u području kompaktnih izmjenjivača topline, hlađenja mikroelektronskih uređaja i tako dalje. Za svojstva prijenosa topline pjenastog metala s otvorenim ćelijama, istražuje se i analizira njegov status istraživanja iz područja primjene kompaktnih izmjenjivača topline.
Metalna pjenaza kompaktne izmjenjivače topline
Općenito su poznata poboljšana svojstva prijenosa topline metalne pjene. Kada plin ili tekućina teče kroz rupe, toplina se prenosi i razmjenjuje u obliku prisilne konvekcije između metalne pjene sa strukturom otvorenih ćelija i fluida. S jedne strane, složena trodimenzionalna mrežasta struktura metalne pjene čini nelinearni efekat fluida, a stepen turbulencije je takođe ojačan, čime se čvrsta površina promoviše u fluid u visokom lokalnom prenosu toplote; s druge strane, velika specifična površina pjenastog metala je također važan razlog zašto metal ima dobre performanse prijenosa topline. Trenutno se proučavanje metalne pjene za performanse prijenosa kompaktnog izmjenjivača topline uglavnom fokusira na poboljšani prijenos topline sa strane zraka i poboljšani prijenos topline na strani rashladnog sredstva.
Za poboljšana svojstva prijenosa topline metalne pjene sa strane zraka, metalna pjena se koristi umjesto rebara za odvođenje topline u aplikacijama gdje se koriste tradicionalna rebra, kao što su rashladne elektronske komponente, pločasti izmjenjivači topline i rebrasti izmjenjivači topline. U kompaktnim izmjenjivačima topline, svojstva prijenosa toplote protoka se trenutno proučavaju uglavnom za bakrene i aluminijske pjenaste metale s gustoćom pora općenito manjom od 40% i poroznošću od 70% ili više.
Kod određene veličine pora, brzina prijenosa topline raste s povećanjem poroznosti i dominira. S druge strane, za određenu poroznost, što je veća gustina pora, to je niža efikasnost prijenosa topline, što može biti posljedica prevelike veličine pora. Parametri strukture pora: poroznost, gustina pora i prečnik pora su glavni faktori koji utiču na performanse prenosa toplotemetalne pjene. Za primjenu metalne pjene u rashladnim elektroničkim komponentama, ortogonalnim eksperimentima istražen je utjecaj poroznosti metalne pjene i promjera pora na učinak odvođenja topline. Rezultati pokazuju da je pod prisilnom konvekcijom učinak odvođenja topline pjenastog metala povezan sa strukturom pora, u kojoj veličina pora ima najveći utjecaj.
Neki rezultati istraživanja pokazuju da iako pjenasti metal ima snažnu ulogu u poboljšanju prijenosa topline, rast otpora nije zanemarljiv zajedno s rastom performansi izmjenjivača topline. Efikasnost prenosa toplote pjenastog metala je značajno poboljšana pri manjim gubicima pritiska, a gubitak pritiska se povećava sa povećanjem gustine pora. Rezultati istraživanja su poučni za projektovanje i izradu lakih i kompaktnih visokoefikasnih izmjenjivača topline. Provedeno je eksperimentalno istraživanje izmjenjivača topline od pjenastog metala i rebrastih izmjenjivača topline iste veličine i utvrđeno je da je pod istim uvjetima ispitivanja pjenasti metalni izmjenjivač topline manje efikasan od rebrastog izmjenjivača topline, a gubitak tlaka i koeficijent trenja bio je veći nego kod rebrastog izmjenjivača topline. Porozni pjenasti metal ima očigledan učinak jačanja na konvektivni prijenos topline, a učinak jačanja opada s povećanjem Reynoldsovog broja; porozni pjenasti metal čini otpor protoku fluida očigledno povećanjem, ali množenje povećanja otpora opada s povećanjem Reynoldsovog broja. Sveobuhvatno jačanje konvektivnog prenosa toplote i povećanje pada pritiska u strujanju može se videti u dva aspekta,porozni pjenasti metalje pogodniji za fluide sa manjim protokom. Pjenasti metal ima ulogu poboljšanog prijenosa topline na zračnoj strani, ali istovremeno poboljšava performanse prijenosa topline, povećava se i otpor, a ukupne performanse su lošije od tradicionalnih peraja. Istraživanja pokazuju da je pjenasti metal pogodan za rijetke prilike sa malim protokom. Stoga, poboljšani prijenos topline od pjenastog metala na zračnoj strani treba uzeti u obzir prilike primjene i ne može slijepo provoditi tradicionalno alternativno istraživanje disipacije topline.

Metalna pjena također može igrati ulogu u poboljšanju prijenosa topline rashladnog sredstva promjenom faze. Rezultati pokazuju da kada je poroznost sigurna, učinak prijenosa topline se udvostručuje jer se gustoća pora smanjuje sa 20 na 40 PPI, a veličina pora se smanjuje, zbog finije ćelijske strukture s većom površinom i intenzivnijom perturbacijom. Pri visokim brzinama protoka, koeficijent prijenosa topline ključanja održava stabilan i spor porast s povećanjem suhoće. Sa postepenim povećanjem radnog tlaka, fenomen prijenosa topline ključanja pri niskoj suhoći sličan je ključanju tla, odnosno prijenos topline se intenzivira s povećanjem tlaka, ali porast tlaka u određenoj mjeri igra pogoršanu ulogu u ključanju. prijenos topline. Koeficijent prijenosa topline cijevi od bakrene pjene je oko tri puta veći nego kod svjetlosnih cijevi. U slučaju čistog rashladnog sredstva, prisustvo pjenastog metala pojačava tok prijenosa topline ključanja, a koeficijent prijenosa topline se povećava i do 185%. U slučaju uvjeta koji sadrže ulje, djelovanje metalne pjene na jačanje prijenosa topline je oslabljeno; pod istim uslovima, u poređenju sa pjenastim metalom od 5PPI, pjenasti metal od 10PPI može povećati koeficijent prenosa toplote do 0,6 puta, a manja veličina pora može poboljšati koeficijent prenosa toplote tokom ključanja.
Sveobuhvatno su analizirani efekti masenog protoka i suhoće dvofazne tekućine na pad tlaka kondenzacije protoka i koeficijent prijelaza topline. Rezultati pokazuju da je pad tlaka prstenaste cijevi od metalne pjene ispunjene unutrašnjim zidom mnogo veći od pada tlaka svjetlosne cijevi, a pad tlaka raste brzo i nelinearno s povećanjem masenog protoka i suhoće. Koeficijent prijelaza topline kondenzacije prstenaste cijevi od metalne pjene ispunjene unutrašnjim zidom veći je od koeficijenta prijenosa topline svjetlosne cijevi, a koeficijent prijenosa topline raste s povećanjem masenog protoka i suhoće, a koeficijent prijenosa topline kondenzacije protoka ovog tipa ojačanih cijevi je otprilike dvostruko više od svjetlosne cijevi. Budući da je njen kapilarni efekat očigledan, gustina pora ojačane cijevi od 130PPI je najbolji učinak, za svjetlosnu cijev 3,06 puta, cijev od 40PPI je uglavnom slična strukturi niskorebraste cijevi kao sredstvo za jačanje.
U kompaktnom izmenjivaču toplote,metalna pjenamože se u potpunosti iskoristiti za jačanje uloge prijenosa topline, ali studija je pokazala da su karakteristike otpornosti na rast pjenastog metala također vrlo značajne, potreba za sveobuhvatnim performansama za procjenu primjene pjenastog metala u kompaktnom izmjenjivaču topline. Osim toga, u prisustvu maziva koje sadrže ulje, pjenasti metali mogu dovesti do pogoršanja prijenosa topline, a poboljšani prijenos topline metalne pjene za prijenos topline s promjenom faze rashladnih sredstava treba razmotriti u svjetlu efekata maziva.