Värmeöverföringsegenskaper hos metallskum med öppna celler

Metallskum är ett slags multifunktionellt sammansatt metallmaterial som innehåller ett visst antal, en viss storlek på porer och en viss porositet i metallmatrisen. Skummetall har unika strukturella egenskaper som stor specifik yta, stor porositet och liten densitet, och har multifunktionella kompositegenskaper som värmeavledning (öppna celler), värmeisolering (stängda celler), ljudabsorption och vibrationsdämpning, lättvikts , hög specifik hållfasthet, elektromagnetisk skärmning, etc., och det är ett slags strukturellt och funktionellt material som integrerar termofysikens egenskaper, mekanik, akustik och el.
Förmetallskum med öppna celler, den höga porositeten och den komplexa tredimensionella nätstrukturen gör att den har mycket god värmeavledning och hög värmeöverföringseffektivitet, vilket har ett mycket brett tillämpningsperspektiv inom området kompakta värmeväxlare, kylning av mikroelektroniska enheter och så vidare. För värmeöverföringsegenskaperna hos skummetall med öppen cell undersöks och analyseras dess forskningsstatus från applikationsområdena för kompakta värmeväxlare.
Metallskumför kompakta värmeväxlare
De förbättrade värmeöverföringsegenskaperna hos metallskum har allmänt erkänts. När gasen eller vätskan strömmar genom hålen överförs värmen och utbyts i form av forcerad konvektion mellan metallskummet med en öppen cellstruktur och vätskan. Å ena sidan gör metallskummets komplexa tredimensionella nätstruktur den olinjära effekten av vätskan, och graden av turbulens förstärks också, vilket främjar den fasta ytan till vätskan i den höga lokala värmeöverföringen; å andra sidan är skummetallens stora specifik yta också en viktig orsak till att metallen har god värmeöverföringsprestanda. För närvarande fokuserar studien av metallskum för kompakt värmeväxlaröverföringsprestanda huvudsakligen på förbättrad värmeöverföring på luftsidan och förbättrad värmeöverföring på köldmediesidan.
För metallskums förbättrade värmeöverföringsegenskaper på luftsidan används metallskum istället för flänsar för värmeavledning i applikationer där traditionella flänsar används, såsom kylande elektroniska komponenter, plattvärmeväxlare och flänsförsedda värmeväxlare. I kompakta värmeväxlare studeras för närvarande flödesvärmeöverföringsegenskaperna främst för koppar- och aluminiumskummetaller med pordensiteter i allmänhet mindre än 40 % och porositeter på 70 % eller mer.
Vid en viss porstorlek ökar värmeöverföringshastigheten med ökningen av porositeten och dominerar. Å andra sidan, för en viss porositet, ju högre pordensitet, desto lägre är värmeöverföringseffektiviteten, vilket kan bero på den alltför stora porstorleken. Porstrukturparametrarna porositet, pordensitet och pordiameter är de viktigaste faktorerna som påverkar värmeöverföringsprestanda hosmetallskum. För applicering av metallskum i kylande elektroniska komponenter undersöktes effekterna av metallskumporositet och pordiameter på värmeavledningseffekten genom ortogonala experiment. Resultaten visar att under forcerad konvektion är värmeavledningsförmågan hos skummetall relaterad till porstrukturen, där porstorleken har störst inflytande.
Vissa forskningsresultat visar att även om skummetallen har en stark roll för att förbättra värmeöverföringen, är resistanstillväxten inte försumbar tillsammans med ökningen av värmeväxlarens prestanda. Värmeöverföringseffektiviteten för skummetall förbättras avsevärt vid mindre tryckförluster, och tryckförlusten ökar med ökningen av pordensiteten. Resultaten av studien är lärorika för design och tillverkning av lätta och kompakta högeffektiva värmeväxlare. En experimentell studie av skummetallvärmeväxlare och flänsvärmeväxlare av samma storlek genomfördes, och det visade sig att under samma testförhållanden var skummetallvärmeväxlaren mindre effektiv än flänsvärmeväxlaren, och tryckförlusten och friktionskoefficienten var högre än för den lamellförsedda värmeväxlaren. Den porösa skummetallen har en uppenbar förstärkande effekt på konvektiv värmeöverföring, och den förstärkande effekten minskar med ökningen av Reynolds antal; den porösa skummetallen gör att vätskans flödesmotstånd ökar uppenbarligen, men multiplikationen av motståndsökningen minskar med ökningen av Reynolds tal. Omfattande förstärkning av konvektiv värmeöverföring och ökning av tryckfallet i flödet av två aspekter kan ses,porös skummetallär mer lämplig för vätskan med tillfällen med mindre flöde. Skummetall har rollen som förstärkt värmeöverföring på luftsidan, men samtidigt förbättrad värmeöverföringsprestanda, motståndet ökade också, och den totala prestandan är sämre än de traditionella fenorna. Forskning visar att skummetall är lämplig för sällsynta tillfällen med lågt flöde. Därför behöver skummetall luftsidan förstärkt värmeöverföring överväga tillämpningstillfällen, och kan inte blint utföra den traditionella fena värmeavledning alternativ forskning.

Metallskummet kan också spela en roll för att förbättra värmeöverföringen av köldmediet genom fasbyte. Resultaten visar att när porositeten är säker fördubblas värmeöverföringsprestandan när pordensiteten minskar från 20 till 40 PPI och porstorleken minskar, på grund av den finare cellstrukturen med en större yta och mer intensiv störning. Vid höga flödeshastigheter bibehåller den kokande värmeöverföringskoefficienten en stadig och långsam ökning med ökande torrhet. Med den gradvisa ökningen av arbetstrycket liknar värmeöverföringsfenomenet vid låg torrhet markkokning, dvs värmeöverföringen intensifieras med ökningen av trycket, men trycket stiger i viss utsträckning spelar en försämrad roll i kokningen värmeöverföring. Värmeöverföringskoefficienten för kopparskumrör är ungefär tre gånger högre än för ljusrör. När det gäller rent köldmedium ökar närvaron av skummetall flödet av kokande värmeöverföring, och värmeöverföringskoefficienten ökas med upp till 185%. I fallet med oljehaltiga förhållanden försvagas effekten av metallskum för att stärka värmeöverföringen; under samma förhållanden, jämfört med 5PPI-skummetall, kan 10PPI-skummetall öka värmeöverföringskoefficienten med upp till 0,6 gånger, och mindre porstorlek kan förbättra flödeskoefficienten för kokande värmeöverföring.
Effekterna av massflödeshastighet och tvåfas vätskans torrhet på flödeskondensationstryckfallet och värmeöverföringskoefficienten analyserades omfattande. Resultaten visar att tryckfallet för det inre väggfyllda ringformade metallskumröret är mycket större än ljusröret, och tryckfallet ökar snabbt och olinjärt med ökningen av massflödeshastigheten och torrheten. Kondensationsvärmeöverföringskoefficienten för det inre väggfyllda ringformade metallskumröret är större än ljusrörets, och värmeöverföringskoefficienten ökar med ökningen av massflödeshastighet och torrhet, och flödeskondensationsvärmeöverföringskoefficienten av denna typ av förstärkta rör är ungefär dubbelt så mycket som ljusrörets. Eftersom dess kapilläreffekt är uppenbar är portätheten hos det 130PPI-förstärkta röret den bästa effekten, för ljusröret 3,06 gånger liknar 40PPI-röret huvudsakligen strukturen på det lågribbade röret som ett sätt att stärka.
I den kompakta värmeväxlaren,metallskumkan utnyttjas fullt ut för att stärka värmeöverföringens roll, men studien visade att motståndsegenskaperna hos skummetalltillväxten också är mycket betydande, behovet av omfattande prestanda för att bedöma tillämpningen av skummetall i den kompakta värmeväxlaren. Dessutom, i närvaro av oljehaltiga smörjmedel, kan skummetaller leda till försämring av värmeöverföringen, och den förbättrade värmeöverföringen av metallskum för fasförändringsvärmeöverföring av köldmedier måste beaktas i ljuset av effekterna av smörjmedel.