Warmteoverdrachtseigenschappen van opencellig metaalschuim

Metaalschuim is een multifunctioneel composietmateriaal met een bepaald aantal poriën van een bepaalde grootte en een bepaalde porositeit in de metaalmatrix. Schuimmetaal heeft unieke structurele eigenschappen, zoals een groot specifiek oppervlak, grote porositeit en een lage dichtheid, en multifunctionele composieteigenschappen zoals warmteafvoer (open cel), warmte-isolatie (gesloten cel), geluidsabsorptie en trillingsdemping, lichtgewichtheid, hoge specifieke sterkte, elektromagnetische afscherming, enz. Het is een structureel en functioneel materiaal dat de eigenschappen van thermofysische materialen integreert.Sics, mechanica, akoestiek en elektriciteit.
Vooropencellig metaalschuimDe hoge porositeit en complexe driedimensionale gaasstructuur zorgen voor een zeer goede warmteafvoer en een hoge warmteoverdrachtsefficiëntie, wat een breed toepassingsperspectief biedt op het gebied van compacte warmtewisselaars, koeling van micro-elektronische apparaten, enzovoort. De onderzoeksstatus van de warmteoverdrachtseigenschappen van opencellig schuimmetaal wordt onderzocht en geanalyseerd vanuit de toepassingsgebieden van compacte warmtewisselaars.
Metaalschuimvoor compacte warmtewisselaars
De verbeterde warmteoverdrachtseigenschappen van metaalschuim zijn algemeen erkend. Wanneer het gas of de vloeistof door de gaten stroomt, vindt warmteoverdracht en -uitwisseling plaats in de vorm van geforceerde convectie tussen het metaalschuim met een open celstructuur en de vloeistof. Enerzijds zorgt de complexe driedimensionale meshstructuur van het metaalschuim voor een niet-lineair effect van de vloeistof en wordt ook de turbulentiegraad versterkt, waardoor het vaste oppervlak van de vloeistof wordt versterkt bij een hoge lokale warmteoverdracht; anderzijds is het grote specifieke oppervlak van het metaalschuim ook een belangrijke reden voor de goede warmteoverdrachtsprestaties van het metaal. Momenteel richt het onderzoek naar metaalschuim voor de overdrachtsprestaties van compacte warmtewisselaars zich voornamelijk op verbeterde warmteoverdracht aan de luchtzijde en verbeterde warmteoverdracht aan de koelmiddelzijde.
Vanwege de verbeterde warmteoverdrachtseigenschappen aan de luchtzijde van metaalschuim, wordt metaalschuim gebruikt in plaats van vinnen voor warmteafvoer in toepassingen waar traditionele vinnen worden gebruikt, zoals het koelen van elektronische componenten, platenwarmtewisselaars en warmtewisselaars met vinnen. In compacte warmtewisselaars worden de warmteoverdrachtseigenschappen bij stroming momenteel voornamelijk bestudeerd voor koper- en aluminiumschuimmetalen met een poriedichtheid van doorgaans minder dan 40% en een porositeit van 70% of meer.
Bij een bepaalde poriegrootte neemt de warmteoverdrachtssnelheid toe met de toename van de porositeit en domineert deze. Aan de andere kant geldt voor een bepaalde porositeit: hoe hoger de poriedichtheid, hoe lager de warmteoverdrachtsefficiëntie, wat mogelijk te wijten is aan de te grote poriegrootte. De poriestructuurparameters porositeit, poriedichtheid en poriediameter zijn de belangrijkste factoren die de warmteoverdrachtsprestaties van...metaalschuimenVoor de toepassing van metaalschuim in de koeling van elektronische componenten werden de effecten van de porositeit en poriediameter van het metaalschuim op de warmteafvoer onderzocht met behulp van orthogonale experimenten. De resultaten tonen aan dat de warmteafvoerprestaties van metaalschuim onder geforceerde convectie gerelateerd zijn aan de poriestructuur, waarbij de poriegrootte de grootste invloed heeft.
Sommige onderzoeksresultaten tonen aan dat, hoewel schuimmetaal een belangrijke rol speelt bij het verbeteren van de warmteoverdracht, de toename van de weerstand niet te verwaarlozen is, samen met de toename van de prestaties van de warmtewisselaar. De warmteoverdrachtsefficiëntie van schuimmetaal verbetert aanzienlijk bij een lager drukverlies, en het drukverlies neemt toe met een toenemende poriedichtheid. De resultaten van het onderzoek zijn leerzaam voor het ontwerp en de fabricage van lichtgewicht en compacte, hoogrenderende warmtewisselaars. Er werd een experimentele studie uitgevoerd met schuimmetaal-warmtewisselaars en gevinde warmtewisselaars van dezelfde grootte, en daaruit bleek dat onder dezelfde testomstandigheden de schuimmetaal-warmtewisselaar minder efficiënt was dan de gevinde warmtewisselaar, en dat het drukverlies en de wrijvingscoëfficiënt hoger waren dan die van de gevinde warmtewisselaar. Het poreuze schuimmetaal heeft een duidelijk versterkend effect op de convectieve warmteoverdracht, en dit versterkende effect neemt af met een toename van het getal van Reynolds; het poreuze schuimmetaal zorgt ervoor dat de stromingsweerstand van de vloeistof aanzienlijk toeneemt, maar de vermenigvuldiging van de weerstandstoename neemt af met een toename van het getal van Reynolds. Er kan een algehele versterking van de convectieve warmteoverdracht en een toename van de drukval in de stroming van twee aspecten worden waargenomen,poreus schuimmetaalIs geschikter voor vloeistoffen met een lagere stroomsnelheid. Schuimmetaal verbetert de warmteoverdracht aan de luchtzijde, maar verbetert tegelijkertijd de warmteoverdrachtsprestaties, de weerstand neemt toe en de algehele prestaties zijn slechter dan bij traditionele vinnen. Onderzoek toont aan dat schuimmetaal geschikt is voor toepassingen met een lage stroomsnelheid. Daarom moet bij het verbeteren van de warmteoverdracht aan de luchtzijde van schuimmetaal rekening worden gehouden met de toepassingssituatie en kan er niet blindelings onderzoek worden gedaan naar alternatieve warmteafvoermethoden met traditionele vinnen.

Het metaalschuim kan ook een rol spelen bij het verbeteren van de warmteoverdracht van het koelmiddel door faseverandering. De resultaten tonen aan dat bij een zekere porositeit de warmteoverdrachtsprestaties verdubbelen naarmate de poriedichtheid afneemt van 20 naar 40 PPI en de poriegrootte afneemt, vanwege de fijnere celstructuur met een groter oppervlak en intensere verstoring. Bij hoge stroomsnelheden handhaaft de kookwarmteoverdrachtscoëfficiënt een gestage en langzame stijging met toenemende droogte. Met de geleidelijke toename van de werkdruk is het kookwarmteoverdrachtsverschijnsel bij lage droogte vergelijkbaar met grondkoken; d.w.z. de warmteoverdracht wordt geïntensiveerd met de toename van de druk, maar de drukstijging speelt tot op zekere hoogte een verslechterende rol in de kookwarmteoverdracht. De warmteoverdrachtscoëfficiënt van koperen schuimbuizen is ongeveer drie keer hoger dan die van dunne buizen. In het geval van zuiver koelmiddel verbetert de aanwezigheid van schuimmetaal de stroom van kokende warmteoverdracht en neemt de warmteoverdrachtscoëfficiënt tot 185% toe. Bij oliehoudende omstandigheden wordt het effect van metaalschuim op het versterken van de warmteoverdracht verzwakt. Onder dezelfde omstandigheden kan 10PPI-schuimmetaal, vergeleken met 5PPI-schuimmetaal, de warmteoverdrachtscoëfficiënt tot wel 0,6 keer verhogen. Bovendien kan een kleinere poriegrootte de warmteoverdrachtscoëfficiënt bij stroming en koken verbeteren.
De effecten van massastroom en droogte van de tweefasevloeistof op de drukval van de condensatie en de warmteoverdrachtscoëfficiënt werden uitgebreid geanalyseerd. De resultaten tonen aan dat de drukval van de met de binnenwand gevulde ringvormige metalen schuimbuis veel groter is dan die van de lichte buis, en dat de drukval snel en niet-lineair toeneemt met de toename van de massastroom en droogte. De warmteoverdrachtscoëfficiënt voor condensatie van de met de binnenwand gevulde ringvormige metalen schuimbuis is groter dan die van de lichte buis, en de warmteoverdrachtscoëfficiënt neemt toe met de toename van de massastroom en droogte, en de warmteoverdrachtscoëfficiënt voor condensatie van dit type versterkte buizen is ongeveer twee keer zo hoog als die van de lichte buis. Omdat het capillaire effect duidelijk is, is de poriedichtheid van de 130PPI versterkte buis het beste effect, voor de lichte buis 3,06 keer, de 40PPI-buis is grotendeels vergelijkbaar met de structuur van de laaggeribbelde buis als middel van versterking.
In de compacte warmtewisselaar,metaalschuimkan volledig worden benut om de rol van warmteoverdracht te versterken, maar de studie toonde aan dat de weerstandseigenschappen van de groei van schuimmetaal ook zeer belangrijk zijn. Uitgebreide prestaties zijn daarom noodzakelijk om de toepassing van schuimmetaal in de compacte warmtewisselaar te beoordelen. Bovendien kunnen schuimmetalen in de aanwezigheid van oliehoudende smeermiddelen leiden tot een verslechtering van de warmteoverdracht. De verbeterde warmteoverdracht van metaalschuimen voor faseovergangswarmteoverdracht van koelmiddelen moet dan ook worden overwogen in het licht van de effecten van smeermiddelen.