תכונות העברת חום של קצפי מתכת בתאים פתוחים

קצף מתכת הוא מעין חומר מתכת מרוכב רב תכליתי המכיל מספר מסוים, גודל מסוים של נקבוביות ונקבוביות מסוימת במטריצת המתכת. למתכת קצף יש מאפיינים מבניים ייחודיים כגון שטח פנים ספציפי גדול, נקבוביות גדולה וצפיפות קטנה, ובעלת מאפיינים מרוכבים רב-תכליתיים כגון פיזור חום (תא פתוח), בידוד חום (תא סגור), בלימת קול ושיכוך רעידות, קל משקל. , חוזק ספציפי גבוה, מיגון אלקטרומגנטי וכו', והוא סוג של חומר מבני ופונקציונלי המשלב את תכונות התרמופיזיקה, מכניקה, אקוסטיקה וחשמל.
עֲבוּרקצף מתכת עם תאים פתוחים, הנקבוביות הגבוהה ומבנה הרשת התלת מימדי המורכב הופכים אותה לבעלת פיזור חום טוב מאוד ויעילות העברת חום גבוהה, שיש לה סיכוי יישום רחב מאוד בתחום מחליפי חום קומפקטיים, קירור מכשירים מיקרואלקטרוניים וכו'. עבור תכונות העברת החום של מתכת מוקצף עם תאים פתוחים, מצב המחקר שלה נחקר ונותח מאזורי היישום של מחליפי חום קומפקטיים.
קצף מתכתעבור מחליפי חום קומפקטיים
תכונות העברת החום המשופרות של קצף מתכת הוכרו בדרך כלל. כאשר הגז או הנוזל זורמים דרך החורים, החום מועבר ומוחלף בצורה של הסעה מאולצת בין קצף המתכת בעל מבנה תאים פתוחים לנוזל. מצד אחד, מבנה הרשת התלת מימדי המורכב של קצף המתכת הופך את ההשפעה הלא ליניארית של הנוזל, וגם מידת המערבולת מתחזקת, ובכך מקדם את פני השטח המוצקים לנוזל בהעברת החום המקומית הגבוהה; מצד שני, מתכת הקצף שטח פנים ספציפי גדול הוא גם סיבה חשובה למתכת יש ביצועי העברת חום טובים. כיום, המחקר של קצף מתכת לביצועי העברת מחליף חום קומפקטיים מתמקד בעיקר בהעברת חום משופרת בצד האוויר ובהעברת חום משופרת בצד הקירור.
עבור תכונות העברת החום המשופרות בצד האוויר של קצף מתכת, קצף מתכת משמש במקום סנפירים לפיזור חום ביישומים שבהם נעשה שימוש בסנפירים מסורתיים, כגון קירור רכיבים אלקטרוניים, מחליפי חום צלחות ומחלפי חום עם סנפירים. במחלפי חום קומפקטיים, תכונות העברת החום הזרימה נחקרות כיום בעיקר עבור מתכות קצף נחושת ואלומיניום עם צפיפות נקבוביות בדרך כלל פחות מ-40% ונקבוביות של 70% או יותר.
בגודל נקבוביות מסוים, קצב העברת החום עולה עם עליית הנקבוביות ושולט. מצד שני, עבור נקבוביות מסוימת, ככל שצפיפות הנקבוביות גבוהה יותר, כך יעילות העברת החום נמוכה יותר, אשר עשויה לנבוע מגודל הנקבוביות הגדול מדי. פרמטרי מבנה הנקבוביות של נקבוביות, צפיפות נקבוביות וקוטר הנקבוביות הם הגורמים העיקריים המשפיעים על ביצועי העברת החום שלקצפי מתכת. ליישום קצף מתכת ברכיבים אלקטרוניים לקירור, נחקרו ההשפעות של נקבוביות קצף מתכת וקוטר הנקבוביות על אפקט פיזור החום על ידי ניסויים אורתוגונליים. התוצאות מראות שתחת הסעה מאולצת, ביצועי פיזור החום של מתכת קצף קשורים למבנה הנקבוביות, שבו לגודל הנקבוביות יש את ההשפעה הגדולה ביותר.
כמה תוצאות מחקר מראות שלמרות שלמתכת הקצף יש תפקיד חזק בשיפור העברת החום, צמיחת ההתנגדות אינה מבוטלת יחד עם הצמיחה של ביצועי מחליף החום. יעילות העברת החום של מתכת קצף משתפרת באופן משמעותי בהפסד לחץ קטן יותר, ואובדן הלחץ גדל עם עליית צפיפות הנקבוביות. תוצאות המחקר מלמדות לתכנון וייצור של מחליפי חום קלים וקומפקטיים בעלי יעילות גבוהה. בוצע מחקר ניסיוני של מחליפי חום מתכת מוקצף ומחלפי חום עם סנפירים באותו גודל, ונמצא כי באותם תנאי בדיקה, מחליף החום ממתכת הקצף היה פחות יעיל ממחליף החום בעל הסנפיר, ואובדן הלחץ ו מקדם החיכוך היה גבוה יותר מאלה של מחליף החום בעל הסנפיר. למתכת הקצף הנקבובית יש אפקט חיזוק ברור על העברת חום הסעה, והשפעת החיזוק פוחתת עם העלייה במספר ריינולדס; מתכת הקצף הנקבובית גורמת להתנגדות הזרימה של הנוזל לעלות באופן ברור, אך הכפלה של עליית ההתנגדות פוחתת עם העלייה במספר ריינולדס. ניתן לראות חיזוק מקיף של העברת חום הסעה ועלייה בירידה בלחץ בזרימה של שני היבטים,מתכת קצף נקבובימתאים יותר לנוזל עם קצב זרימה קטן יותר. למתכת קצף יש תפקיד של העברת חום משופרת בצד האוויר, אך שיפור ביצועי העברת החום בו זמנית, ההתנגדות גדלה גם היא, והביצועים הכוללים גרועים יותר מהסנפירים המסורתיים. מחקרים מראים שמתכת קצף מתאימה לאירועים נדירים בזרימה נמוכה. לכן, העברת חום משופרת בצד האוויר של מתכת קצף צריכה לשקול את מקרי היישום, ואינה יכולה לבצע באופן עיוור את המחקר האלטרנטיבי לפיזור חום הסנפיר המסורתי.

קצף המתכת יכול גם למלא תפקיד בשיפור העברת החום של נוזל הקירור על ידי שינוי פאזה. התוצאות מראות שכאשר הנקבוביות בטוחה, ביצועי העברת החום מוכפלים ככל שצפיפות הנקבוביות יורדת מ-20 ל-40 PPI וגודל הנקבוביות פוחת, עקב מבנה התא העדין יותר עם שטח פנים גדול יותר והפרעות עזות יותר. בקצבי זרימה גבוהים, מקדם העברת החום הרותח שומר על עלייה יציבה ואיטית עם הגדלת היובש. עם העלייה ההדרגתית בלחץ ההפעלה, תופעת העברת החום הרותח ביובש נמוך דומה לרתיחה הקרקעית, כלומר העברת החום מתעצמת עם עליית הלחץ, אך הלחץ עולה במידה מסוימת משחק תפקיד מתדרדר בהרתחה העברת חום. מקדם העברת החום של צינורות קצף נחושת גבוה בערך פי שלושה מזה של צינורות אור. במקרה של קירור טהור, הנוכחות של מתכת קצף משפרת את זרימת העברת החום הרותח, ומקדם העברת החום גדל בעד 185%. במקרה של תנאים המכילים שמן, ההשפעה של קצף מתכת לחיזוק העברת החום נחלשת; באותם תנאים, בהשוואה למתכת קצף 5PPI, מתכת קצף 10PPI יכולה להגדיל את מקדם העברת החום עד פי 0.6, וגודל נקבוביות קטן יותר יכול לשפר את מקדם העברת החום הרותח בזרימה.
ההשפעות של קצב זרימת מסה ויובש נוזל דו-פאזי על ירידת לחץ עיבוי הזרימה ומקדם העברת החום נותחו באופן מקיף. התוצאות מראות כי ירידת הלחץ של צינור קצף מתכת טבעתי מלא בקיר הפנימי גדול בהרבה מזו של צינור האור, וירידת הלחץ גדלה במהירות ובאופן לא ליניארי עם עליית קצב זרימת המסה והיובש. מקדם העברת חום העיבוי של צינור קצף מתכת טבעתי מלא בקיר הפנימי גדול מזה של צינור האור, ומקדם העברת החום עולה עם עליית קצב זרימת המסה והיובש, ומקדם העברת החום של עיבוי הזרימה מסוג זה. של צינורות מחוזקים הוא בערך פי שניים מזה של צינור האור. מכיוון שהאפקט הנימי שלו ברור, צפיפות הנקבוביות של הצינור המחוזק 130PPI היא האפקט הטוב ביותר, עבור צינור האור פי 3.06, צינור 40PPI דומה בעיקר למבנה של הצינור בעל הצלעות הנמוכות כאמצעי לחיזוק.
במחליף החום הקומפקטי,קצף מתכתניתן לנצל במלואו כדי לחזק את תפקיד העברת החום, אך המחקר הראה כי מאפייני ההתנגדות של צמיחת מתכת הקצף הם גם משמעותיים מאוד, הצורך בביצועים מקיפים להערכת היישום של מתכת קצף במחליף החום הקומפקטי. בנוסף, בנוכחות חומרי סיכה המכילים שמן, מתכות קצף עלולות להוביל להידרדרות של העברת החום, ויש לשקול את העברת החום המשופרת של קצפי מתכת להעברת חום בשינוי פאזה של חומרי קירור לאור ההשפעות של חומרי סיכה.