Vlastnosti prenosu tepla kovových pien s otvorenými bunkami

Kovová pena je druh multifunkčného kompozitného kovového materiálu, ktorý obsahuje určitý počet, určitú veľkosť pórov a určitú pórovitosť v kovovej matrici. Penový kov má jedinečné štrukturálne vlastnosti, ako je veľký špecifický povrch, veľká pórovitosť a malá hustota, a má multifunkčné kompozitné vlastnosti, ako je odvod tepla (otvorená bunka), tepelná izolácia (uzavretá bunka), absorpcia zvuku a tlmenie vibrácií, nízka hmotnosť. , vysoká špecifická pevnosť, elektromagnetické tienenie atď., a je to druh konštrukčného a funkčného materiálu integrujúceho vlastnosti termofyziky, mechaniky, akustiky a elektriny.
Prekovová pena s otvorenými bunkami, vysoká pórovitosť a komplexná trojrozmerná sieťová štruktúra z neho robí veľmi dobrý odvod tepla a vysokú účinnosť prenosu tepla, čo má veľmi široké uplatnenie v oblasti kompaktných výmenníkov tepla, chladenia mikroelektronických zariadení atď. Pokiaľ ide o vlastnosti prenosu tepla penového kovu s otvorenými bunkami, jeho výskumný stav sa skúma a analyzuje z oblastí použitia kompaktných výmenníkov tepla.
Kovová penapre kompaktné výmenníky tepla
Všeobecne sa uznávajú zlepšené vlastnosti prenosu tepla kovovej peny. Keď plyn alebo kvapalina prúdi cez otvory, teplo sa prenáša a vymieňa vo forme nútenej konvekcie medzi kovovou penou s otvorenou štruktúrou buniek a tekutinou. Na jednej strane komplexná trojrozmerná sieťová štruktúra kovovej peny spôsobuje nelineárny účinok tekutiny a stupeň turbulencie je tiež posilnený, čím sa podporuje pevný povrch tekutiny pri vysokom lokálnom prenose tepla; na druhej strane penový kov s veľkým špecifickým povrchom je tiež dôležitým dôvodom, prečo má kov dobrý prenos tepla. V súčasnosti sa štúdium kovovej peny pre prenos kompaktného tepelného výmenníka zameriava hlavne na zvýšený prenos tepla na strane vzduchu a zvýšený prenos tepla na strane chladiva.
Kvôli zlepšeným vlastnostiam kovovej peny pri prenose tepla na strane vzduchu sa kovová pena používa namiesto rebier na odvádzanie tepla v aplikáciách, kde sa používajú tradičné rebrá, ako sú chladiace elektronické komponenty, doskové výmenníky tepla a rebrové výmenníky tepla. V kompaktných výmenníkoch tepla sa v súčasnosti študujú vlastnosti prenosu tepla prúdením hlavne pre medené a hliníkové penové kovy s hustotou pórov všeobecne menej ako 40 % a pórovitosťou 70 % alebo viac.
Pri určitej veľkosti pórov sa rýchlosť prenosu tepla zvyšuje so zvyšovaním pórovitosti a dominuje. Na druhej strane, pri určitej pórovitosti platí, že čím vyššia je hustota pórov, tým nižšia je účinnosť prenosu tepla, čo môže byť spôsobené príliš veľkou veľkosťou pórov. Parametre štruktúry pórov, ako je pórovitosť, hustota pórov a priemer pórov, sú hlavnými faktormi ovplyvňujúcimi výkon prenosu teplakovové peny. Pre aplikáciu kovovej peny v chladiacich elektronických súčiastkach sa pomocou ortogonálnych experimentov skúmali účinky pórovitosti kovovej peny a priemeru pórov na účinok rozptylu tepla. Výsledky ukazujú, že pri nútenej konvekcii výkon odvádzania tepla penového kovu súvisí so štruktúrou pórov, v ktorej má veľkosť pórov najväčší vplyv.
Niektoré výsledky výskumu ukazujú, že hoci penový kov má silnú úlohu pri zlepšovaní prenosu tepla, rast odporu nie je zanedbateľný spolu s rastom výkonu výmenníka tepla. Účinnosť prenosu tepla penového kovu sa výrazne zlepšuje pri menšej tlakovej strate a tlaková strata sa zvyšuje so zvyšovaním hustoty pórov. Výsledky štúdie sú poučné pre návrh a výrobu ľahkých a kompaktných vysokoúčinných výmenníkov tepla. Uskutočnila sa experimentálna štúdia penových kovových výmenníkov tepla a rebrových výmenníkov tepla rovnakej veľkosti a zistilo sa, že za rovnakých testovacích podmienok bol penový kovový výmenník tepla menej účinný ako rebrový výmenník tepla a strata tlaku a koeficient trenia bol vyšší ako koeficient rebrového výmenníka tepla. Pórovitý penový kov má zjavný spevňujúci účinok na konvekčný prenos tepla a spevňujúci účinok klesá so zvyšovaním Reynoldsovho čísla; pórovitý penový kov zjavne zvyšuje prietokový odpor tekutiny, ale násobok nárastu odporu klesá so zvýšením Reynoldsovho čísla. Je možné vidieť komplexné posilnenie prenosu tepla konvekciou a zvýšenie poklesu tlaku v prúdení dvoch aspektov,pórovitý penový kovje vhodnejší pre tekutiny s menším prietokom. Penový kov má úlohu zosilneného prenosu tepla na strane vzduchu, ale súčasne zvyšuje výkon prenosu tepla, zvyšuje sa aj odpor a celkový výkon je horší ako u tradičných rebier. Výskum ukazuje, že penový kov je vhodný pre zriedkavé prípady s nízkym prietokom. Preto penový kov so zvýšeným prenosom tepla na strane vzduchu musí brať do úvahy príležitosti aplikácie a nemôže slepo vykonávať tradičný alternatívny výskum rozptylu tepla rebier.

Kovová pena môže tiež zohrávať úlohu pri zlepšovaní prenosu tepla chladiva fázovou zmenou. Výsledky ukazujú, že keď je pórovitosť istá, výkon prenosu tepla sa zdvojnásobí, keď sa hustota pórov zníži z 20 na 40 PPI a veľkosť pórov sa zníži v dôsledku jemnejšej bunkovej štruktúry s väčším povrchom a intenzívnejšou perturbáciou. Pri vysokých prietokových rýchlostiach si koeficient prestupu varu udržuje stabilný a pomalý nárast so zvyšujúcou sa suchosťou. S postupným zvyšovaním prevádzkového tlaku je jav prestupu varu pri nízkej suchosti podobný ako pri zemnom vare, tj prenos tepla sa so zvyšovaním tlaku zintenzívňuje, ale stúpanie tlaku do určitej miery hrá zhoršujúcu úlohu pri vare. prenos tepla. Koeficient prestupu tepla medených penových trubíc je asi trikrát vyšší ako u svetelných trubíc. V prípade čistého chladiva zvyšuje prítomnosť penového kovu tok prestupu varu a koeficient prestupu tepla sa zvyšuje až o 185 %. V prípade podmienok s obsahom oleja je účinok kovovej peny na posilnenie prenosu tepla oslabený; za rovnakých podmienok v porovnaní s penovým kovom 5PPI môže penový kov 10PPI zvýšiť koeficient prestupu tepla až 0,6-krát a menšia veľkosť pórov môže zlepšiť koeficient prestupu tepla varu.
Komplexne sa analyzovali účinky hmotnostného prietoku a dvojfázovej suchosti tekutiny na pokles tlaku kondenzácie prietoku a koeficient prestupu tepla. Výsledky ukazujú, že tlaková strata prstencovej kovovej penovej trubice naplnenej vnútornou stenou je oveľa väčšia ako tlaková strata svetelnej trubice a tlaková strata sa rýchlo a nelineárne zvyšuje so zvyšovaním hmotnostného prietoku a suchosti. Koeficient prestupu kondenzačného tepla prstencovej kovovej penovej trubice naplnenej vnútornou stenou je väčší ako koeficient svetelnej trubice a koeficient prestupu tepla sa zvyšuje so zvyšovaním hmotnostného prietoku a suchosti a koeficientom prestupu kondenzačného tepla tohto typu. zosilnených trubíc je asi dvakrát toľko ako u svetelnej trubice. Pretože jeho kapilárny efekt je zrejmý, hustota pórov vystuženej trubice 130PPI je najlepším účinkom, pre svetelnú trubicu 3,06-krát, 40PPI trubica je hlavne podobná štruktúre trubice s nízkym rebrovaním ako prostriedok na spevnenie.
V kompaktnom výmenníku teplakovová penamožno plne využiť na posilnenie úlohy prenosu tepla, ale štúdia ukázala, že odporové charakteristiky rastu penového kovu sú tiež veľmi významné, potreba komplexného výkonu na posúdenie aplikácie penového kovu v kompaktnom výmenníku tepla. Okrem toho v prítomnosti mazív obsahujúcich olej môžu penové kovy viesť k zhoršeniu prenosu tepla a zvýšený prenos tepla kovových pien na prenos tepla chladív s fázovou zmenou je potrebné zvážiť vo svetle účinkov mazív.