Propietats de transferència de calor de les escumes metàl·liques de cèl·lules obertes

L'escuma metàl·lica és una mena de material metàl·lic compost multifuncional que conté un cert nombre, una certa mida de porus i una certa porositat a la matriu metàl·lica. L'escuma metàl·lica té característiques estructurals úniques, com ara una gran superfície específica, una gran porositat i una petita densitat, i té característiques compostes multifuncionals com ara dissipació de calor (cèl·lula oberta), aïllament tèrmic (cel·la tancada), absorció de so i amortiment de vibracions, lleuger. , alta resistència específica, blindatge electromagnètic, etc., i és una mena de material estructural i funcional que integra les propietats de la termofísica, mecànica, acústica i electricitat.
Perescuma metàl·lica de cèl·lules obertes, l'alta porositat i la complexa estructura de malla tridimensional fan que tingui una molt bona dissipació de calor i una alta eficiència de transferència de calor, que té una perspectiva d'aplicació molt àmplia en el camp dels intercanviadors de calor compactes, refrigeració de dispositius microelectrònics, etc. Per a les propietats de transferència de calor de l'escuma metàl·lica de cèl·lules obertes, s'investiga i s'analitza el seu estat d'investigació des de les àrees d'aplicació dels intercanviadors de calor compactes.
Escuma metàl·licaper a intercanviadors de calor compactes
Les propietats de transferència de calor millorades de l'escuma metàl·lica s'han reconegut generalment. Quan el gas o líquid flueix pels forats, la calor es transfereix i s'intercanvia en forma de convecció forçada entre l'escuma metàl·lica amb una estructura de cèl·lules obertes i el fluid. D'una banda, la complexa estructura de malla tridimensional de l'escuma metàl·lica fa que l'efecte no lineal del fluid, i el grau de turbulència també s'enforteix, afavorint així la superfície sòlida al fluid en l'alta transferència de calor local; d'altra banda, la gran superfície específica de metall d'escuma també és un motiu important perquè el metall tingui un bon rendiment de transferència de calor. Actualment, l'estudi de l'escuma metàl·lica per al rendiment de la transferència de l'intercanviador de calor compacte se centra principalment en la transferència de calor millorada pel costat de l'aire i la transferència de calor millorada pel costat del refrigerant.
Per a les propietats de transferència de calor millorades pel costat de l'aire de l'escuma metàl·lica, s'utilitza escuma metàl·lica en lloc d'aletes per a la dissipació de calor en aplicacions on s'utilitzen aletes tradicionals, com ara components electrònics de refrigeració, intercanviadors de calor de plaques i intercanviadors de calor amb aletes. En els intercanviadors de calor compactes, les propietats de transferència de calor del flux s'estudien actualment principalment per a metalls d'escuma de coure i alumini amb densitats de porus generalment inferiors al 40% i porositats del 70% o més.
A una certa mida de porus, la velocitat de transferència de calor augmenta amb l'augment de la porositat i domina. D'altra banda, per a una certa porositat, com més gran sigui la densitat de porus, menor serà l'eficiència de transferència de calor, que pot ser deguda a la mida excessivament gran dels porus. Els paràmetres de l'estructura de porus de porositat, densitat de porus i diàmetre de porus són els principals factors que afecten el rendiment de la transferència de calor deescumes metàl·liques. Per a l'aplicació d'escuma metàl·lica en components electrònics de refrigeració, es van investigar els efectes de la porositat de l'escuma metàl·lica i el diàmetre dels porus sobre l'efecte de dissipació de calor mitjançant experiments ortogonals. Els resultats mostren que sota convecció forçada, el rendiment de dissipació de calor de l'escuma metàl·lica està relacionat amb l'estructura dels porus, en la qual la mida dels porus té la major influència.
Alguns resultats de la investigació mostren que, tot i que l'escuma metàl·lica té un paper important en la millora de la transferència de calor, el creixement de la resistència no és menyspreable juntament amb el creixement del rendiment de l'intercanviador de calor. L'eficiència de transferència de calor de l'escuma metàl·lica es millora significativament amb una pèrdua de pressió menor i la pèrdua de pressió augmenta amb l'augment de la densitat de porus. Els resultats de l'estudi són instructius per al disseny i la fabricació d'intercanviadors de calor lleugers i compactes d'alta eficiència. Es va realitzar un estudi experimental d'intercanviadors de calor d'escuma metàl·lica i intercanviadors de calor amb aletes de la mateixa mida, i es va trobar que, en les mateixes condicions de prova, l'intercanviador de calor d'escuma metàl·lica era menys eficient que l'intercanviador de calor amb aletes i la pèrdua de pressió i el coeficient de fricció eren més alts que els de l'intercanviador de calor amb aletes. L'escuma metàl·lica porosa té un efecte de reforç evident sobre la transferència de calor convectiva, i l'efecte d'enfortiment disminueix amb l'augment del nombre de Reynolds; L'escuma metàl·lica porosa fa que la resistència al flux del fluid augmenti òbviament, però la multiplicació de l'augment de la resistència disminueix amb l'augment del nombre de Reynolds. Es pot veure l'enfortiment integral de la transferència de calor convectiva i l'augment de la caiguda de pressió en el flux de dos aspectes,escuma metàl·lica porosaés més adequat per al fluid amb ocasions de cabal menor. El metall d'escuma té el paper de transferència de calor millorada pel costat de l'aire, però alhora millora el rendiment de la transferència de calor, la resistència també augmenta i el rendiment general és pitjor que les aletes tradicionals. La investigació mostra que l'escuma metàl·lica és adequada per a ocasions rares de baix flux. Per tant, la transferència de calor millorada pel costat de l'aire d'escuma metàl·lica ha de tenir en compte les ocasions d'aplicació i no pot dur a terme a cegues la recerca alternativa tradicional de dissipació de calor de l'aleta.

L'escuma metàl·lica també pot tenir un paper en la millora de la transferència de calor del refrigerant per canvi de fase. Els resultats mostren que quan la porositat és certa, el rendiment de la transferència de calor es duplica a mesura que la densitat de porus disminueix de 20 a 40 PPI i la mida dels porus disminueix, a causa de l'estructura cel·lular més fina amb una superfície més gran i una pertorbació més intensa. A cabals elevats, el coeficient de transferència de calor d'ebullició manté un augment constant i lent amb l'augment de la sequedat. Amb l'augment gradual de la pressió de funcionament, el fenomen de transferència de calor d'ebullició a baixa sequedat és similar a l'ebullició mòlta, és a dir, la transferència de calor s'intensifica amb l'augment de la pressió, però la pressió augmenta fins a cert punt juga un paper deteriorant en l'ebullició. transferència de calor. El coeficient de transferència de calor dels tubs d'escuma de coure és aproximadament tres vegades més gran que el dels tubs lleugers. En el cas del refrigerant pur, la presència d'escuma metàl·lica millora el flux de transferència de calor en ebullició i el coeficient de transferència de calor augmenta fins a un 185%. En el cas de condicions que contenen oli, l'efecte de l'escuma metàl·lica per reforçar la transferència de calor es debilita; en les mateixes condicions, en comparació amb l'escuma metàl·lica de 5PPI, l'escuma metàl·lica de 10PPI pot augmentar el coeficient de transferència de calor fins a 0,6 vegades, i la mida de porus més petita pot millorar el coeficient de transferència de calor d'ebullició del flux.
Es van analitzar exhaustivament els efectes del cabal massiu i la sequedat del fluid bifàsic sobre la caiguda de pressió de condensació del flux i el coeficient de transferència de calor. Els resultats mostren que la caiguda de pressió del tub d'escuma metàl·lica anular ple de paret interior és molt més gran que la del tub de llum, i la caiguda de pressió augmenta de manera ràpida i no lineal amb l'augment del cabal massiu i la sequedat. El coeficient de transferència de calor de condensació del tub d'escuma metàl·lica anular ple de paret interior és més gran que el del tub de llum, i el coeficient de transferència de calor augmenta amb l'augment del cabal massiu i la sequedat, i el coeficient de transferència de calor de condensació de flux d'aquest tipus de tubs reforçats és aproximadament el doble que el del tub de llum. Com que el seu efecte capil·lar és evident, la densitat de porus del tub reforçat de 130PPI és el millor efecte, per al tub de llum 3,06 vegades, el tub de 40PPI és principalment similar a l'estructura del tub de nervadura baixa com a mitjà d'enfortiment.
En l'intercanviador de calor compacte,escuma metàl·licaes pot utilitzar plenament per reforçar el paper de la transferència de calor, però l'estudi va demostrar que les característiques de resistència del creixement del metall d'escuma també són molt importants, la necessitat d'un rendiment integral per avaluar l'aplicació de l'escuma metàl·lica a l'intercanviador de calor compacte. A més, en presència de lubricants que contenen oli, els metalls d'escuma poden provocar un deteriorament de la transferència de calor, i la transferència de calor millorada d'escumes metàl·liques per a la transferència de calor de canvi de fase dels refrigerants s'ha de considerar a la llum dels efectes dels lubricants.