Właściwości przenoszenia ciepła przez pianki metalowe o otwartych komórkach

Pianka metalowa to rodzaj wielofunkcyjnego kompozytowego materiału metalowego zawierającego określoną liczbę, określony rozmiar porów i określoną porowatość w matrycy metalowej. Pianka metalowa ma unikalne cechy strukturalne, takie jak duża powierzchnia właściwa, duża porowatość i mała gęstość, i ma wielofunkcyjne cechy kompozytowe, takie jak rozpraszanie ciepła (otwarte komórki), izolacja cieplna (zamknięte komórki), pochłanianie dźwięku i tłumienie drgań, lekkość, wysoka wytrzymałość właściwa, ekranowanie elektromagnetyczne itp. i jest rodzajem strukturalnego i funkcjonalnego materiału integrującego właściwości termofizyczneTaks, mechaniki, akustyki i elektryki.
Dlapianka metalowa o otwartych komórkach, wysoka porowatość i złożona trójwymiarowa struktura siatki sprawiają, że ma on bardzo dobre odprowadzanie ciepła i wysoką wydajność wymiany ciepła, co ma bardzo szerokie perspektywy zastosowania w dziedzinie kompaktowych wymienników ciepła, chłodzenia urządzeń mikroelektronicznych itp. W przypadku właściwości wymiany ciepła pianki metalowej o otwartych komórkach, jej stan badawczy jest badany i analizowany w obszarach zastosowań kompaktowych wymienników ciepła.
Pianka metalowado kompaktowych wymienników ciepła
Ulepszone właściwości przenoszenia ciepła pianki metalowej zostały powszechnie uznane. Gdy gaz lub ciecz przepływa przez otwory, ciepło jest przenoszone i wymieniane w formie wymuszonej konwekcji między pianką metalową o strukturze otwartokomórkowej a płynem. Z jednej strony, złożona trójwymiarowa struktura siatki pianki metalowej powoduje nieliniowy efekt płynu, a stopień turbulencji jest również wzmocniony, co sprzyja powierzchni stałej płynu w wysokim lokalnym przenoszeniu ciepła; z drugiej strony, duża powierzchnia właściwa pianki metalowej jest również ważnym powodem, dla którego metal ma dobrą wydajność przenoszenia ciepła. Obecnie badanie pianki metalowej pod kątem wydajności przenoszenia kompaktowego wymiennika ciepła koncentruje się głównie na ulepszonym przenoszeniu ciepła po stronie powietrza i ulepszonym przenoszeniu ciepła po stronie czynnika chłodniczego.
W celu zwiększenia właściwości przenoszenia ciepła po stronie powietrza pianki metalowej, pianka metalowa jest stosowana zamiast żeber do rozpraszania ciepła w zastosowaniach, w których stosuje się tradycyjne żebra, takich jak chłodzenie podzespołów elektronicznych, płytowe wymienniki ciepła i żebrowane wymienniki ciepła. W kompaktowych wymiennikach ciepła właściwości przenoszenia ciepła przepływu są obecnie badane głównie dla metali z pianki miedzianej i aluminiowej o gęstości porów na ogół mniejszej niż 40% i porowatości 70% lub większej.
Przy pewnym rozmiarze porów szybkość wymiany ciepła wzrasta wraz ze wzrostem porowatości i dominuje. Z drugiej strony, przy pewnej porowatości, im większa gęstość porów, tym niższa wydajność wymiany ciepła, co może być spowodowane nadmiernie dużym rozmiarem porów. Parametry struktury porów, takie jak porowatość, gęstość porów i średnica porów, są głównymi czynnikami wpływającymi na wydajność wymiany ciepłapianki metalowe. W przypadku zastosowania pianki metalowej w chłodzeniu podzespołów elektronicznych, zbadano wpływ porowatości pianki metalowej i średnicy porów na efekt rozpraszania ciepła za pomocą eksperymentów ortogonalnych. Wyniki pokazują, że w warunkach wymuszonej konwekcji wydajność rozpraszania ciepła pianki metalowej jest związana ze strukturą porów, w której największy wpływ ma rozmiar porów.
Niektóre wyniki badań pokazują, że chociaż metal piankowy odgrywa ważną rolę w zwiększaniu wymiany ciepła, wzrost oporu nie jest pomijalny wraz ze wzrostem wydajności wymiennika ciepła. Efektywność wymiany ciepła metalu piankowego jest znacznie poprawiona przy mniejszej stracie ciśnienia, a strata ciśnienia wzrasta wraz ze wzrostem gęstości porów. Wyniki badania są pouczające dla projektowania i wytwarzania lekkich i kompaktowych wymienników ciepła o wysokiej wydajności. Przeprowadzono badanie eksperymentalne wymienników ciepła z metalu piankowego i wymienników ciepła z żebrami o tej samej wielkości i stwierdzono, że w tych samych warunkach testowych wymiennik ciepła z metalu piankowego był mniej wydajny niż wymiennik ciepła z żebrami, a strata ciśnienia i współczynnik tarcia były wyższe niż w przypadku wymiennika ciepła z żebrami. Porowaty metal piankowy ma oczywisty efekt wzmacniający na konwekcyjny transfer ciepła, a efekt wzmacniający maleje wraz ze wzrostem liczby Reynoldsa; porowaty metal piankowy powoduje oczywisty wzrost oporu przepływu płynu, ale mnożenie wzrostu oporu maleje wraz ze wzrostem liczby Reynoldsa. Można zaobserwować kompleksowe wzmocnienie konwekcyjnego przenoszenia ciepła i zwiększenie spadku ciśnienia w przepływie dwóch aspektów,porowata pianka metalowajest bardziej odpowiedni dla płynu o mniejszych okazjach przepływu. Pianka metalowa ma rolę wzmocnionego transferu ciepła po stronie powietrza, ale jednocześnie zwiększa wydajność transferu ciepła, opór również wzrasta, a ogólna wydajność jest gorsza niż w przypadku tradycyjnych żeberek. Badania pokazują, że pianka metalowa nadaje się do rzadkich okazji o niskim przepływie. Dlatego pianka metalowa wzmocniona transferem ciepła po stronie powietrza musi uwzględniać okazje zastosowania i nie może ślepo przeprowadzać tradycyjnych alternatywnych badań rozpraszania ciepła żeberek.

Pianka metalowa może również odgrywać rolę w zwiększaniu wymiany ciepła czynnika chłodniczego poprzez zmianę fazy. Wyniki pokazują, że gdy porowatość jest pewna, wydajność wymiany ciepła podwaja się, ponieważ gęstość porów zmniejsza się z 20 do 40 PPI, a rozmiar porów zmniejsza się, ze względu na drobniejszą strukturę komórkową o większej powierzchni i intensywniejsze zaburzenia. Przy wysokich natężeniach przepływu współczynnik wymiany ciepła wrzenia utrzymuje stały i powolny wzrost wraz ze wzrostem suchości. Wraz ze stopniowym wzrostem ciśnienia roboczego zjawisko wymiany ciepła wrzenia przy niskiej suchości jest podobne do wrzenia gruntowego, tj. wymiana ciepła jest intensyfikowana wraz ze wzrostem ciśnienia, ale wzrost ciśnienia do pewnego stopnia odgrywa pogarszającą się rolę w wymianie ciepła wrzenia. Współczynnik wymiany ciepła rur z pianki miedzianej jest około trzy razy wyższy niż w przypadku rur lekkich. W przypadku czystego czynnika chłodniczego obecność pianki metalowej zwiększa przepływ wymiany ciepła wrzenia, a współczynnik wymiany ciepła wzrasta nawet o 185%. W przypadku zawartości oleju, efekt wzmocnienia przenoszenia ciepła pianką metalową jest osłabiony; w tych samych warunkach, w porównaniu z pianką metalową 5PPI, pianka metalowa 10PPI może zwiększyć współczynnik przenoszenia ciepła nawet o 0,6 raza, a mniejszy rozmiar porów może poprawić współczynnik przenoszenia ciepła wrzenia przepływu.
Efekty masowego natężenia przepływu i dwufazowej suchości płynu na spadek ciśnienia kondensacji przepływu i współczynnik przenikania ciepła zostały kompleksowo przeanalizowane. Wyniki pokazują, że spadek ciśnienia w wypełnionej wewnętrzną ścianką pierścieniowej rurce z pianki metalowej jest znacznie większy niż w rurze świetlnej, a spadek ciśnienia wzrasta szybko i nieliniowo wraz ze wzrostem masowego natężenia przepływu i suchości. Współczynnik przenikania ciepła kondensacji w wypełnionej wewnętrzną ścianką pierścieniowej rurce z pianki metalowej jest większy niż w rurze świetlnej, a współczynnik przenikania ciepła wzrasta wraz ze wzrostem masowego natężenia przepływu i suchości, a współczynnik przenikania ciepła kondensacji przepływu tego typu wzmocnionych rur jest około dwukrotnie większy niż w rurze świetlnej. Ponieważ efekt kapilarny jest oczywisty, gęstość porów wzmocnionej rury 130PPI daje najlepszy efekt, w przypadku rury świetlnej 3,06 razy, rura 40PPI jest głównie podobna do struktury rury nisko żebrowanej jako środka wzmacniającego.
W kompaktowym wymienniku ciepła,pianka metalowamożna w pełni wykorzystać do wzmocnienia roli wymiany ciepła, ale badanie wykazało, że charakterystyki oporu wzrostu spienionego metalu są również bardzo znaczące, potrzeba kompleksowej wydajności w celu oceny zastosowania spienionego metalu w kompaktowym wymienniku ciepła. Ponadto w obecności środków smarnych zawierających olej spieniony metal mogą prowadzić do pogorszenia wymiany ciepła, a zwiększony transfer ciepła pianek metalowych w celu zmiany fazy wymiany ciepła czynników chłodniczych należy rozważyć w świetle wpływu środków smarnych.