Теплопередающие свойства металлических пен с открытыми ячейками

Металлическая пена - это разновидность многофункционального композитного металлического материала, содержащего определенное количество, определенный размер пор и определенную пористость в металлической матрице. Пенометалл обладает уникальными структурными характеристиками, такими как большая удельная площадь поверхности, большая пористость и малая плотность, а также имеет многофункциональные композитные характеристики, такие как рассеивание тепла (открытые ячейки), теплоизоляция (закрытые ячейки), поглощение звука и гашение вибрации, легкий вес, высокая удельная прочность, электромагнитное экранирование и т. д., и является разновидностью структурного и функционального материала, объединяющего свойства термофиТакс, механика, акустика и электричество.
Дляметаллическая пена с открытыми ячейками, высокая пористость и сложная трехмерная сетчатая структура обеспечивают очень хорошее рассеивание тепла и высокую эффективность теплопередачи, что имеет очень широкие перспективы применения в области компактных теплообменников, охлаждения микроэлектронных устройств и т. д. Что касается свойств теплопередачи открытоячеистого пенометалла, его исследовательский статус изучается и анализируется из областей применения компактных теплообменников.
Металлическая пенадля компактных теплообменников
Улучшенные теплопередающие свойства металлической пены общепризнаны. Когда газ или жидкость протекают через отверстия, тепло передается и обменивается в форме принудительной конвекции между металлической пеной с открытой ячеистой структурой и жидкостью. С одной стороны, сложная трехмерная сетчатая структура металлической пены создает нелинейный эффект жидкости, а также усиливается степень турбулентности, тем самым способствуя твердой поверхности жидкости в высокой локальной теплопередаче; с другой стороны, большая удельная площадь поверхности вспененного металла также является важной причиной того, что металл имеет хорошие характеристики теплопередачи. В настоящее время изучение металлической пены для производительности передачи компактного теплообменника в основном сосредоточено на улучшенной теплопередаче со стороны воздуха и улучшенной теплопередаче со стороны хладагента.
Для улучшения теплопередающих свойств металлической пены со стороны воздуха металлическая пена используется вместо ребер для рассеивания тепла в приложениях, где используются традиционные ребра, таких как охлаждение электронных компонентов, пластинчатые теплообменники и ребристые теплообменники. В компактных теплообменниках свойства теплопередачи потока в настоящее время изучаются в основном для медных и алюминиевых вспененных металлов с плотностью пор, как правило, менее 40% и пористостью 70% или более.
При определенном размере пор скорость теплопередачи увеличивается с ростом пористости и доминирует. С другой стороны, при определенной пористости, чем выше плотность пор, тем ниже эффективность теплопередачи, что может быть связано с чрезмерно большим размером пор. Параметры структуры пор: пористость, плотность пор и диаметр пор являются основными факторами, влияющими на эффективность теплопередачиметаллическая пена. Для применения металлической пены в охлаждении электронных компонентов, влияние пористости металлической пены и диаметра пор на эффект рассеивания тепла было исследовано с помощью ортогональных экспериментов. Результаты показывают, что при вынужденной конвекции эффективность рассеивания тепла вспененным металлом связана со структурой пор, в которой размер пор имеет наибольшее влияние.
Некоторые результаты исследований показывают, что хотя пенный металл играет важную роль в улучшении теплопередачи, рост сопротивления не является незначительным вместе с ростом производительности теплообменника. Эффективность теплопередачи пенного металла значительно улучшается при меньших потерях давления, а потери давления увеличиваются с увеличением плотности пор. Результаты исследования поучительны для проектирования и изготовления легких и компактных высокоэффективных теплообменников. Было проведено экспериментальное исследование теплообменников из пенного металла и ребристых теплообменников того же размера, и было обнаружено, что при тех же условиях испытаний теплообменник из пенного металла был менее эффективен, чем ребристый теплообменник, а потери давления и коэффициент трения были выше, чем у ребристого теплообменника. Пористый пенный металл оказывает очевидное укрепляющее действие на конвективную теплопередачу, и укрепляющее действие уменьшается с увеличением числа Рейнольдса; пористый пенный металл явно увеличивает сопротивление потоку жидкости, но умножение увеличения сопротивления уменьшается с увеличением числа Рейнольдса. Видно комплексное усиление конвективного теплообмена и увеличение перепада давления в потоке двух аспектов,пористый пенный металлбольше подходит для случаев с меньшей скоростью потока жидкости. Пенный металл играет роль улучшенной теплопередачи со стороны воздуха, но в то же время улучшается производительность теплопередачи, сопротивление также увеличивается, а общая производительность хуже, чем у традиционных ребер. Исследования показывают, что пенный металл подходит для редких случаев с низким расходом. Поэтому для улучшенной теплопередачи со стороны воздуха пенным металлом необходимо учитывать случаи применения, и нельзя слепо проводить альтернативные исследования традиционного рассеивания тепла ребрами.

Металлическая пена также может играть роль в улучшении теплопередачи хладагента путем изменения фазы. Результаты показывают, что при определенной пористости эффективность теплопередачи удваивается, поскольку плотность пор уменьшается с 20 до 40 PPI, а размер пор уменьшается из-за более мелкой структуры ячеек с большей площадью поверхности и более интенсивным возмущением. При высоких скоростях потока коэффициент теплопередачи при кипении сохраняет устойчивый и медленный рост с увеличением сухости. При постепенном увеличении рабочего давления явление теплопередачи при кипении при низкой сухости похоже на кипение в земле, т. е. теплопередача усиливается с увеличением давления, но повышение давления в определенной степени играет ухудшающую роль в теплопередаче при кипении. Коэффициент теплопередачи трубок из медной пены примерно в три раза выше, чем у легких трубок. В случае чистого хладагента присутствие вспененного металла усиливает поток теплопередачи при кипении, и коэффициент теплопередачи увеличивается до 185%. В условиях содержания нефти влияние металлической пены на усиление теплопередачи ослабевает; при тех же условиях, по сравнению с 5PPI-пенометаллом, 10PPI-пенометалл может увеличить коэффициент теплопередачи до 0,6 раза, а меньший размер пор может улучшить коэффициент теплопередачи при кипении потока.
Влияние массового расхода и сухости двухфазной жидкости на падение давления конденсации потока и коэффициент теплопередачи было всесторонне проанализировано. Результаты показывают, что падение давления кольцевой металлической пенопластовой трубы, заполненной внутренней стенкой, намного больше, чем у легкой трубы, и падение давления быстро и нелинейно увеличивается с увеличением массового расхода и сухости. Коэффициент теплопередачи конденсации кольцевой металлической пенопластовой трубы, заполненной внутренней стенкой, больше, чем у легкой трубы, и коэффициент теплопередачи увеличивается с увеличением массового расхода и сухости, а коэффициент теплопередачи конденсации потока этого типа армированных труб примерно в два раза больше, чем у легкой трубы. Поскольку ее капиллярный эффект очевиден, плотность пор армированной трубы 130PPI является наилучшим эффектом, для легкой трубы в 3,06 раза, труба 40PPI в основном похожа на структуру низкоребристой трубы как средство укрепления.
В компактном теплообменникеметаллическая пенаможет быть полностью использован для усиления роли теплопередачи, но исследование показало, что характеристики сопротивления роста пенного металла также очень значительны, потребность в комплексной производительности для оценки применения пенного металла в компактном теплообменнике. Кроме того, в присутствии маслосодержащих смазочных материалов пенные металлы могут привести к ухудшению теплопередачи, а улучшенная теплопередача металлических пен для теплопередачи с изменением фазы хладагентов должна рассматриваться в свете эффектов смазочных материалов.