Proprietățile de transfer de căldură ale spumei metalice cu celule deschise

Spuma metalică este un fel de material metalic compozit multifuncțional care conține un anumit număr, o anumită dimensiune a porilor și o anumită porozitate în matricea metalică. Spuma metalică are caracteristici structurale unice, cum ar fi suprafața specifică mare, porozitate mare și densitate mică și are caracteristici compozite multifuncționale, cum ar fi disiparea căldurii (celula deschisă), izolarea termică (celula închisă), absorbția sunetului și amortizarea vibrațiilor, greutate redusă , rezistență specifică ridicată, ecranare electromagnetică etc. și este un fel de material structural și funcțional care integrează proprietățile termofizicii, mecanică, acustică și electricitate.
Pentruspumă metalică cu celule deschise, porozitatea ridicată și structura complexă a plasei tridimensionale îl fac să aibă o disipare a căldurii foarte bună și o eficiență ridicată a transferului de căldură, ceea ce are o perspectivă de aplicare foarte largă în domeniul schimbătoarelor de căldură compacte, răcirii dispozitivelor microelectronice și așa mai departe. Pentru proprietățile de transfer de căldură ale spumei metalice cu celule deschise, starea sa de cercetare este investigată și analizată din domeniile de aplicare ale schimbătoarelor de căldură compacte.
Spuma metalicapentru schimbătoare de căldură compacte
Proprietățile îmbunătățite de transfer de căldură ale spumei metalice au fost în general recunoscute. Când gazul sau lichidul curge prin găuri, căldura este transferată și schimbată sub formă de convecție forțată între spuma metalică cu o structură cu celule deschise și fluid. Pe de o parte, structura complexă de plasă tridimensională a spumei metalice face efectul neliniar al fluidului, iar gradul de turbulență este, de asemenea, consolidat, promovând astfel suprafața solidă la fluid în transferul de căldură local ridicat; pe de altă parte, suprafața specifică mare de metal spumă este, de asemenea, un motiv important pentru ca metalul are performanțe bune de transfer de căldură. În prezent, studiul spumei metalice pentru performanța de transfer al schimbătorului de căldură compact se concentrează în principal pe transferul de căldură îmbunătățit pe partea de aer și pe transferul îmbunătățit pe partea agentului frigorific.
Pentru proprietățile de transfer de căldură îmbunătățite pe partea de aer ale spumei metalice, spuma metalică este utilizată în locul aripioarelor pentru disiparea căldurii în aplicațiile în care sunt utilizate aripioare tradiționale, cum ar fi componentele electronice de răcire, schimbătoarele de căldură cu plăci și schimbătoarele de căldură cu aripioare. În schimbătoarele de căldură compacte, proprietățile de transfer de căldură în flux sunt în prezent studiate în principal pentru metalele spume de cupru și aluminiu cu densități ale porilor în general mai mici de 40% și porozități de 70% sau mai mult.
La o anumită dimensiune a porilor, viteza de transfer de căldură crește odată cu creșterea porozității și domină. Pe de altă parte, pentru o anumită porozitate, cu cât densitatea porilor este mai mare, cu atât eficiența transferului de căldură este mai mică, ceea ce se poate datora dimensiunii excesiv de mari a porilor. Parametrii structurii porilor de porozitate, densitatea porilor și diametrul porilor sunt principalii factori care afectează performanța transferului de căldură aspume metalice. Pentru aplicarea spumei metalice în componentele electronice de răcire, efectele porozității spumei metalice și ale diametrului porilor asupra efectului de disipare a căldurii au fost investigate prin experimente ortogonale. Rezultatele arată că sub convecție forțată, performanța de disipare a căldurii a spumei metalice este legată de structura porilor, în care dimensiunea porilor are cea mai mare influență.
Unele rezultate ale cercetării arată că, deși spuma metalică are un rol puternic în îmbunătățirea transferului de căldură, creșterea rezistenței nu este neglijabilă împreună cu creșterea performanței schimbătorului de căldură. Eficiența transferului de căldură a spumei metalice este îmbunătățită semnificativ la pierderi mai mici de presiune, iar pierderea de presiune crește odată cu creșterea densității porilor. Rezultatele studiului sunt instructive pentru proiectarea și fabricarea schimbătoarelor de căldură ușoare și compacte de înaltă eficiență. S-a efectuat un studiu experimental al schimbătoarelor de căldură din spumă metalică și ale schimbătoarelor de căldură cu aripioare de aceeași dimensiune și s-a constatat că, în aceleași condiții de testare, schimbătorul de căldură cu spumă metalică a fost mai puțin eficient decât schimbătorul de căldură cu aripioare și pierderea de presiune și coeficientul de frecare a fost mai mare decât cel al schimbătorului de căldură cu aripioare. Spuma metalică poroasă are un efect evident de întărire asupra transferului de căldură convectiv, iar efectul de întărire scade odată cu creșterea numărului Reynolds; spuma metalică poroasă face ca rezistența la curgere a fluidului să crească în mod evident, dar multiplicarea creșterii rezistenței scade odată cu creșterea numărului Reynolds. Se poate observa o consolidare cuprinzătoare a transferului de căldură convectiv și creșterea căderii de presiune în fluxul a două aspecte,spumă metalică poroasăeste mai potrivit pentru fluidul cu ocazii cu debit mai mic. Spuma metalică are rolul de transfer de căldură îmbunătățit pe partea de aer, dar îmbunătățirea performanței transferului de căldură în același timp, rezistența a crescut și ea, iar performanța generală este mai slabă decât aripioarele tradiționale. Cercetările arată că spuma metalică este potrivită pentru ocazii rare cu debit scăzut. Prin urmare, transferul de căldură îmbunătățit pe partea de aer din spumă metalică trebuie să ia în considerare ocaziile de aplicare și nu poate efectua orbește cercetarea alternativă tradițională a aripioarelor de disipare a căldurii.

Spuma metalică poate juca, de asemenea, un rol în îmbunătățirea transferului de căldură al agentului frigorific prin schimbarea fazei. Rezultatele arată că atunci când porozitatea este sigură, performanța transferului de căldură se dublează pe măsură ce densitatea porilor scade de la 20 la 40 PPI și dimensiunea porilor scade, datorită structurii celulare mai fine, cu o suprafață mai mare și perturbări mai intense. La debite mari, coeficientul de transfer de căldură la fierbere menține o creștere constantă și lentă odată cu creșterea uscăciunii. Odată cu creșterea treptată a presiunii de funcționare, fenomenul de transfer de căldură la fierbere la uscare scăzută este similar cu fierberea măcinată, adică transferul de căldură este intensificat odată cu creșterea presiunii, dar presiunea crește într-o anumită măsură joacă un rol de deteriorare în fierbere. transfer de căldură. Coeficientul de transfer termic al tuburilor de spumă de cupru este de aproximativ trei ori mai mare decât cel al tuburilor ușoare. În cazul agentului frigorific pur, prezența spumei metalice îmbunătățește fluxul de transfer de căldură la fierbere, iar coeficientul de transfer de căldură este crescut cu până la 185%. În cazul condițiilor care conțin ulei, efectul spumei metalice de a întări transferul de căldură este slăbit; în aceleași condiții, în comparație cu spumă metalică 5PPI, spumă metalică 10PPI poate crește coeficientul de transfer de căldură de până la 0,6 ori, iar dimensiunea mai mică a porilor poate îmbunătăți coeficientul de transfer de căldură la fierbere.
Efectele debitului masic și uscăciunea fluidului în două faze asupra scăderii presiunii de condensare a fluxului și a coeficientului de transfer de căldură au fost analizate cuprinzător. Rezultatele arată că căderea de presiune a tubului de spumă metalică inelar umplut cu peretele interior este mult mai mare decât cea a tubului ușor, iar căderea de presiune crește rapid și neliniar odată cu creșterea debitului masic și a uscăciunii. Coeficientul de transfer de căldură de condensare al tubului de spumă metalică inelară umplut cu peretele interior este mai mare decât cel al tubului de lumină, iar coeficientul de transfer de căldură crește odată cu creșterea debitului masic și uscăciunea, iar coeficientul de transfer de căldură de condensare a fluxului de acest tip a tuburilor armate este de aproximativ două ori mai mare decât cea a tubului de lumină. Deoarece efectul său capilar este evident, densitatea porilor tubului armat de 130PPI este cel mai bun efect, pentru tubul de lumină de 3,06 ori, tubul de 40PPI este în principal similar cu structura tubului cu nervuri joase ca mijloc de întărire.
În schimbătorul de căldură compact,spumă metalicăpoate fi utilizat pe deplin pentru a consolida rolul transferului de căldură, dar studiul a arătat că caracteristicile de rezistență ale creșterii spumei metalice sunt, de asemenea, foarte semnificative, necesitatea unei performanțe cuprinzătoare pentru a evalua aplicarea spumei metalice în schimbătorul de căldură compact. În plus, în prezența lubrifianților care conțin ulei, spumele metalice pot duce la deteriorarea transferului de căldură, iar transferul de căldură îmbunătățit al spumei metalice pentru transferul de căldură cu schimbare de fază a agenților frigorifici trebuie luat în considerare în lumina efectelor lubrifianților.