Vlastnosti přenosu tepla kovových pěn s otevřenými buňkami

Kovová pěna je druh multifunkčního kompozitního kovového materiálu obsahujícího určitý počet, určitou velikost pórů a určitou poréznost v kovové matrici. Pěnový kov má jedinečné strukturální vlastnosti, jako je velký specifický povrch, velká pórovitost a malá hustota, a má multifunkční kompozitní vlastnosti, jako je odvod tepla (otevřená buňka), tepelná izolace (uzavřená buňka), pohlcování zvuku a tlumení vibrací, nízká hmotnost , vysoká měrná pevnost, elektromagnetické stínění atd. a je to druh konstrukčního a funkčního materiálu integrujícího vlastnosti termofyziky, mechaniky, akustiky a elektřiny.
Prokovová pěna s otevřenými buňkami, vysoká poréznost a složitá trojrozměrná struktura síťoviny z ní činí velmi dobrý odvod tepla a vysokou účinnost přenosu tepla, což má velmi široké uplatnění v oblasti kompaktních výměníků tepla, chlazení mikroelektronických zařízení atd. Pro vlastnosti přenosu tepla pěnového kovu s otevřenými buňkami je jeho výzkumný stav zkoumán a analyzován z oblastí použití kompaktních výměníků tepla.
Kovová pěnapro kompaktní výměníky tepla
Obecně byly uznávány zlepšené vlastnosti přenosu tepla kovové pěny. Když plyn nebo kapalina proudí otvory, teplo se přenáší a vyměňuje ve formě nucené konvekce mezi kovovou pěnou se strukturou otevřených buněk a tekutinou. Na jedné straně složitá trojrozměrná síťová struktura kovové pěny způsobuje nelineární účinek tekutiny a také je posílen stupeň turbulence, čímž se podporuje pevný povrch tekutiny při vysokém místním přenosu tepla; na druhé straně je velká specifická povrchová plocha pěnového kovu také důležitým důvodem, proč má kov dobrý přenos tepla. V současné době se studium kovové pěny pro přenosový výkon kompaktních výměníků tepla zaměřuje hlavně na zvýšený přenos tepla na straně vzduchu a zvýšený přenos tepla na straně chladiva.
Pro zlepšené vlastnosti přenosu tepla kovové pěny na straně vzduchu se kovová pěna používá místo žeber pro odvod tepla v aplikacích, kde se používají tradiční žebra, jako jsou chladicí elektronické součástky, deskové výměníky tepla a žebrované výměníky tepla. U kompaktních výměníků tepla jsou vlastnosti přenosu tepla prouděním v současné době studovány hlavně u měděných a hliníkových pěnových kovů s hustotou pórů obecně menší než 40 % a porézností 70 % nebo více.
Při určité velikosti pórů se rychlost přenosu tepla zvyšuje se zvýšením pórovitosti a dominuje. Na druhou stranu pro určitou pórovitost platí, že čím vyšší je hustota pórů, tím nižší je účinnost přenosu tepla, což může být způsobeno příliš velkou velikostí pórů. Parametry struktury pórů poréznost, hustota pórů a průměr pórů jsou hlavními faktory ovlivňujícími výkon přenosu teplakovové pěny. Pro aplikaci kovové pěny v chladicích elektronických součástkách byly pomocí ortogonálních experimentů zkoumány účinky poréznosti a průměru pórů kovové pěny na účinek rozptylu tepla. Výsledky ukazují, že při nucené konvekci souvisí výkon odvádění tepla pěnového kovu se strukturou pórů, na kterou má velikost pórů největší vliv.
Některé výsledky výzkumu ukazují, že ačkoli pěnový kov má silnou roli při zvyšování přenosu tepla, růst odporu není zanedbatelný spolu s růstem výkonu výměníku tepla. Účinnost přenosu tepla pěnového kovu se výrazně zlepšuje při menší tlakové ztrátě a tlaková ztráta se zvyšuje se zvyšováním hustoty pórů. Výsledky studie jsou poučné pro návrh a výrobu lehkých a kompaktních vysoce účinných výměníků tepla. Byla provedena experimentální studie pěnových kovových výměníků tepla a žebrových výměníků tepla stejné velikosti a bylo zjištěno, že za stejných zkušebních podmínek byl pěnový kovový výměník tepla méně účinný než žebrovaný výměník tepla a ztráta tlaku a koeficient tření byl vyšší než u žebrovaného výměníku tepla. Porézní pěnový kov má zřejmý zpevňující účinek na přenos tepla konvekcí a zpevňovací účinek se snižuje se zvýšením Reynoldsova čísla; porézní pěnový kov zjevně zvyšuje průtokový odpor tekutiny, ale násobek nárůstu odporu klesá se zvýšením Reynoldsova čísla. Je vidět komplexní posílení konvekčního přenosu tepla a zvýšení tlakové ztráty v proudění dvou aspektů,porézní pěnový kovje vhodnější pro tekutiny s menším průtokem. Pěnový kov má roli zvýšeného přenosu tepla na straně vzduchu, ale zároveň zvýšení výkonu přenosu tepla, zvýšil se také odpor a celkový výkon je horší než u tradičních žeber. Výzkum ukazuje, že pěnový kov je vhodný pro vzácné případy s nízkým průtokem. Proto je třeba u pěnového kovu se zvýšeným přenosem tepla na straně vzduchu vzít v úvahu příležitosti aplikace a nelze slepě provádět tradiční výzkum alternativního rozptylu tepla žeber.

Kovová pěna může také hrát roli při zvyšování přenosu tepla chladiva fázovou změnou. Výsledky ukazují, že když je pórovitost jistá, výkon přenosu tepla se zdvojnásobí, protože hustota pórů klesá z 20 na 40 PPI a velikost pórů se zmenšuje v důsledku jemnější buněčné struktury s větším povrchem a intenzivnější perturbací. Při vysokých rychlostech průtoku si koeficient přenosu tepla varem udržuje stálý a pomalý nárůst s rostoucí suchostí. S postupným zvyšováním provozního tlaku je jev přestupu varu při nízkém suchu podobný zemnímu varu, tj. se zvyšováním tlaku se přenos tepla zintenzivňuje, ale vzestup tlaku do určité míry hraje zhoršující se roli při varu. přenos tepla. Koeficient prostupu tepla měděných pěnových trubek je asi třikrát vyšší než u světelných trubic. V případě čistého chladiva přítomnost pěnového kovu zvyšuje tok přenosu tepla varem a koeficient přenosu tepla se zvyšuje až o 185%. V případě podmínek obsahujících olej je účinek kovové pěny na posílení přenosu tepla oslaben; za stejných podmínek, ve srovnání s pěnovým kovem 5PPI, může pěnový kov 10PPI zvýšit koeficient přenosu tepla až 0,6krát a menší velikost pórů může zlepšit koeficient přenosu tepla při toku varu.
Byly komplexně analyzovány účinky hmotnostního průtoku a dvoufázové suchosti kapaliny na tlakovou ztrátu proudění a součinitel přestupu tepla. Výsledky ukazují, že tlaková ztráta prstencové kovové pěnové trubice plněné vnitřní stěnou je mnohem větší než tlaková ztráta světlovodu a tlaková ztráta se rychle a nelineárně zvyšuje se zvyšováním hmotnostního průtoku a suchosti. Koeficient přenosu kondenzačního tepla prstencové kovové pěnové trubice s vnitřní stěnou je větší než koeficient přenosu tepla světelné trubice a koeficient přenosu tepla se zvyšuje se zvýšením hmotnostního průtoku a suchosti a koeficientem přenosu kondenzačního tepla tohoto typu. vyztužených trubic je asi dvakrát větší než u světlovodu. Protože jeho kapilární efekt je zřejmý, hustota pórů vyztužené trubice 130PPI je nejlepším účinkem, pro světelnou trubici 3,06krát, 40PPI trubice je hlavně podobná struktuře nízkožebrované trubice jako prostředku zpevnění.
V kompaktním výměníku teplakovová pěnalze plně využít k posílení role přenosu tepla, ale studie ukázala, že odporové charakteristiky růstu pěnového kovu jsou také velmi významné, potřeba komplexního výkonu pro posouzení aplikace pěnového kovu v kompaktním výměníku tepla. Kromě toho v přítomnosti maziv obsahujících olej mohou pěnové kovy vést ke zhoršení přenosu tepla a zvýšený přenos tepla kovových pěn pro přenos tepla s fázovou změnou chladiv je třeba zvážit ve světle účinků maziv.