Ιδιότητες μεταφοράς θερμότητας των αφρού μετάλλων ανοιχτής κυψέλης

Ο αφρός μετάλλου είναι ένα είδος πολυλειτουργικού σύνθετου μεταλλικού υλικού που περιέχει έναν ορισμένο αριθμό, ένα ορισμένο μέγεθος πόρων και ένα ορισμένο πορώδες στη μεταλλική μήτρα. Το αφρώδες μέταλλο έχει μοναδικά δομικά χαρακτηριστικά όπως μεγάλη ειδική επιφάνεια, μεγάλο πορώδες και μικρή πυκνότητα και έχει πολυλειτουργικά σύνθετα χαρακτηριστικά όπως απαγωγή θερμότητας (ανοιχτή κυψέλη), θερμομόνωση (κλειστή κυψέλη), ηχοαπορρόφηση και απόσβεση κραδασμών, ελαφρύ , υψηλή ειδική αντοχή, ηλεκτρομαγνητική θωράκιση κ.λπ., και είναι ένα είδος δομικού και λειτουργικού υλικού που ενσωματώνει τις ιδιότητες του θερμοφυσική, μηχανική, ακουστική και ηλεκτρισμός.
Γιαμεταλλικός αφρός ανοιχτής κυψέλης, το υψηλό πορώδες και η πολύπλοκη τρισδιάστατη δομή πλέγματος το καθιστούν να έχει πολύ καλή απαγωγή θερμότητας και υψηλή απόδοση μεταφοράς θερμότητας, η οποία έχει μια πολύ ευρεία προοπτική εφαρμογής στον τομέα των συμπαγών εναλλάκτη θερμότητας, της ψύξης μικροηλεκτρονικών συσκευών κ.λπ. Για τις ιδιότητες μεταφοράς θερμότητας του αφρώδους μετάλλου ανοιχτής κυψέλης, η ερευνητική του κατάσταση διερευνάται και αναλύεται από τις περιοχές εφαρμογής συμπαγών εναλλάκτη θερμότητας.
Μεταλλικός αφρόςγια συμπαγείς εναλλάκτες θερμότητας
Οι ενισχυμένες ιδιότητες μεταφοράς θερμότητας του αφρού μετάλλου έχουν αναγνωριστεί γενικά. Όταν το αέριο ή το υγρό ρέει μέσα από τις οπές, η θερμότητα μεταφέρεται και εναλλάσσεται με τη μορφή εξαναγκασμένης μεταφοράς μεταξύ του μεταλλικού αφρού με δομή ανοιχτής κυψέλης και του ρευστού. Από τη μία πλευρά, η σύνθετη τρισδιάστατη δομή πλέγματος του μεταλλικού αφρού κάνει τη μη γραμμική επίδραση του ρευστού και ο βαθμός αναταράξεων ενισχύεται επίσης, προάγοντας έτσι τη στερεή επιφάνεια στο ρευστό στην υψηλή τοπική μεταφορά θερμότητας. Από την άλλη πλευρά, το αφρώδες μέταλλο μεγάλη ειδική επιφάνεια είναι επίσης ένας σημαντικός λόγος για το μέταλλο έχει καλή απόδοση μεταφοράς θερμότητας. Προς το παρόν, η μελέτη του αφρού μετάλλου για συμπαγή απόδοση μεταφοράς εναλλάκτη θερμότητας επικεντρώνεται κυρίως στην βελτιωμένη μεταφορά θερμότητας από την πλευρά του αέρα και στη βελτιωμένη μεταφορά θερμότητας από την πλευρά του ψυκτικού.
Για τις ιδιότητες βελτιωμένης μεταφοράς θερμότητας από την πλευρά του αέρα του μεταλλικού αφρού, χρησιμοποιείται μεταλλικός αφρός αντί για πτερύγια για απαγωγή θερμότητας σε εφαρμογές όπου χρησιμοποιούνται παραδοσιακά πτερύγια, όπως ψυκτικά ηλεκτρονικά εξαρτήματα, εναλλάκτες θερμότητας πλάκας και εναλλάκτες θερμότητας με πτερύγια. Στους συμπαγείς εναλλάκτες θερμότητας, οι ιδιότητες μεταφοράς θερμότητας ροής μελετώνται επί του παρόντος κυρίως για μέταλλα αφρού χαλκού και αλουμινίου με πυκνότητα πόρων γενικά μικρότερη από 40% και πορώδες 70% ή περισσότερο.
Σε ένα ορισμένο μέγεθος πόρων, ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας αυξάνεται με την αύξηση του πορώδους και κυριαρχεί. Από την άλλη πλευρά, για ένα ορισμένο πορώδες, όσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα των πόρων, τόσο χαμηλότερη είναι η απόδοση μεταφοράς θερμότητας, η οποία μπορεί να οφείλεται στο υπερβολικά μεγάλο μέγεθος πόρων. Οι παράμετροι της δομής των πόρων του πορώδους, η πυκνότητα των πόρων και η διάμετρος πόρων είναι οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση μεταφοράς θερμότηταςμεταλλικοί αφροί. Για την εφαρμογή αφρού μετάλλου σε ψυκτικά ηλεκτρονικά εξαρτήματα, διερευνήθηκαν οι επιδράσεις του πορώδους του μεταλλικού αφρού και της διαμέτρου των πόρων στο φαινόμενο απαγωγής θερμότητας με ορθογώνια πειράματα. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι υπό εξαναγκασμένη μεταφορά, η απόδοση απαγωγής θερμότητας του αφρώδους μετάλλου σχετίζεται με τη δομή των πόρων, στην οποία το μέγεθος των πόρων έχει τη μεγαλύτερη επίδραση.
Ορισμένα ερευνητικά αποτελέσματα δείχνουν ότι αν και το αφρώδες μέταλλο έχει ισχυρό ρόλο στην ενίσχυση της μεταφοράς θερμότητας, η αύξηση της αντίστασης δεν είναι αμελητέα μαζί με την αύξηση της απόδοσης του εναλλάκτη θερμότητας. Η απόδοση μεταφοράς θερμότητας του αφρώδους μετάλλου βελτιώνεται σημαντικά σε μικρότερη απώλεια πίεσης και η απώλεια πίεσης αυξάνεται με την αύξηση της πυκνότητας των πόρων. Τα αποτελέσματα της μελέτης είναι διδακτικά για το σχεδιασμό και την κατασκευή ελαφρών και συμπαγών εναλλάκτη θερμότητας υψηλής απόδοσης. Πραγματοποιήθηκε μια πειραματική μελέτη εναλλάκτη θερμότητας από αφρώδες μέταλλο και εναλλάκτες θερμότητας με πτερύγια του ίδιου μεγέθους, και διαπιστώθηκε ότι υπό τις ίδιες συνθήκες δοκιμής, ο εναλλάκτης θερμότητας αφρώδους μετάλλου ήταν λιγότερο αποδοτικός από τον εναλλάκτη θερμότητας με πτερύγια και η απώλεια πίεσης και Οι συντελεστές τριβής ήταν υψηλότεροι από εκείνους του εναλλάκτη θερμότητας με πτερύγια. Το πορώδες αφρώδες μέταλλο έχει προφανές ενισχυτικό αποτέλεσμα στη μεταφορά θερμότητας με συναγωγή και το ενισχυτικό αποτέλεσμα μειώνεται με την αύξηση του αριθμού Reynolds. Το πορώδες αφρώδες μέταλλο κάνει την αντίσταση ροής του ρευστού να αυξάνεται προφανώς, αλλά ο πολλαπλασιασμός της αύξησης της αντίστασης μειώνεται με την αύξηση του αριθμού Reynolds. Διακρίνεται η συνολική ενίσχυση της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή και η αύξηση της πτώσης πίεσης στη ροή δύο όψεων,πορώδες αφρώδες μέταλλοείναι πιο κατάλληλο για το ρευστό με περιπτώσεις μικρότερου ρυθμού ροής. Το αφρώδες μέταλλο έχει τον ρόλο της βελτιωμένης μεταφοράς θερμότητας από την πλευρά του αέρα, αλλά ταυτόχρονα βελτιώνει την απόδοση μεταφοράς θερμότητας, αυξήθηκε επίσης η αντίσταση και η συνολική απόδοση είναι χειρότερη από τα παραδοσιακά πτερύγια. Η έρευνα δείχνει ότι το αφρώδες μέταλλο είναι κατάλληλο για σπάνιες περιπτώσεις χαμηλής ροής. Ως εκ τούτου, η βελτιωμένη μεταφορά θερμότητας από αφρώδες μέταλλο από την πλευρά του αέρα πρέπει να λαμβάνει υπόψη τις περιπτώσεις εφαρμογής και δεν μπορεί να πραγματοποιήσει τυφλά την παραδοσιακή εναλλακτική έρευνα για τη διάχυση θερμότητας πτερυγίων.

Ο μεταλλικός αφρός μπορεί επίσης να παίξει ρόλο στην ενίσχυση της μεταφοράς θερμότητας του ψυκτικού μέσου με αλλαγή φάσης. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι όταν το πορώδες είναι σίγουρο, η απόδοση μεταφοράς θερμότητας διπλασιάζεται καθώς η πυκνότητα των πόρων μειώνεται από 20 σε 40 PPI και το μέγεθος των πόρων μειώνεται, λόγω της λεπτότερης δομής κυψελών με μεγαλύτερη επιφάνεια και πιο έντονη διαταραχή. Σε υψηλούς ρυθμούς ροής, ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας βρασμού διατηρεί μια σταθερή και αργή αύξηση με την αυξανόμενη ξηρότητα. Με τη σταδιακή αύξηση της πίεσης λειτουργίας, το φαινόμενο μεταφοράς θερμότητας βρασμού σε χαμηλή ξηρότητα είναι παρόμοιο με το βρασμό στο έδαφος, δηλ. η μεταφορά θερμότητας εντείνεται με την αύξηση της πίεσης, αλλά η άνοδος της πίεσης σε κάποιο βαθμό παίζει έναν επιδεινούμενο ρόλο στο βρασμό μεταφορά θερμότητας. Ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας των σωλήνων αφρού χαλκού είναι περίπου τρεις φορές υψηλότερος από αυτόν των σωλήνων φωτός. Στην περίπτωση καθαρού ψυκτικού μέσου, η παρουσία αφρώδους μετάλλου ενισχύει τη ροή της μεταφοράς θερμότητας που βράζει και ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας αυξάνεται έως και 185%. Στην περίπτωση συνθηκών που περιέχουν λάδι, η επίδραση του μεταλλικού αφρού για την ενίσχυση της μεταφοράς θερμότητας εξασθενεί. υπό τις ίδιες συνθήκες, σε σύγκριση με το αφρώδες μέταλλο 5PPI, το αφρώδες μέταλλο 10PPI μπορεί να αυξήσει τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας έως και 0,6 φορές και το μικρότερο μέγεθος πόρων μπορεί να βελτιώσει τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας βρασμού ροής.
Οι επιδράσεις του ρυθμού ροής μάζας και της ξηρότητας ρευστού δύο φάσεων στην πτώση πίεσης συμπύκνωσης ροής και στον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας αναλύθηκαν διεξοδικά. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η πτώση πίεσης του γεμισμένου με εσωτερικό τοίχωμα δακτυλιοειδούς σωλήνα αφρού μετάλλου είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή του σωλήνα φωτός και η πτώση πίεσης αυξάνεται γρήγορα και μη γραμμικά με την αύξηση του ρυθμού ροής μάζας και της ξηρότητας. Ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας συμπύκνωσης του εσωτερικού τοιχώματος δακτυλιοειδούς σωλήνα αφρού μετάλλου είναι μεγαλύτερος από αυτόν του σωλήνα φωτός και ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας αυξάνεται με την αύξηση του ρυθμού ροής μάζας και της ξηρότητας και ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας συμπύκνωσης ροής αυτού του τύπου των ενισχυμένων σωλήνων είναι περίπου διπλάσια από αυτή του φωτοσωλήνα. Επειδή το τριχοειδές του αποτέλεσμα είναι προφανές, η πυκνότητα πόρων του ενισχυμένου σωλήνα 130PPI είναι το καλύτερο αποτέλεσμα, για τον σωλήνα φωτός 3,06 φορές, ο σωλήνας 40PPI είναι κυρίως παρόμοιος με τη δομή του σωλήνα χαμηλής ραβδώσεων ως μέσο ενίσχυσης.
Στον συμπαγή εναλλάκτη θερμότητας,μεταλλικός αφρόςμπορεί να χρησιμοποιηθεί πλήρως για την ενίσχυση του ρόλου της μεταφοράς θερμότητας, αλλά η μελέτη έδειξε ότι τα χαρακτηριστικά αντίστασης της ανάπτυξης του αφρώδους μετάλλου είναι επίσης πολύ σημαντικά, η ανάγκη για ολοκληρωμένη απόδοση για την αξιολόγηση της εφαρμογής αφρώδους μετάλλου στον συμπαγή εναλλάκτη θερμότητας. Επιπλέον, παρουσία λιπαντικών που περιέχουν λάδι, τα αφρώδες μέταλλα μπορεί να οδηγήσουν σε υποβάθμιση της μεταφοράς θερμότητας και η ενισχυμένη μεταφορά θερμότητας των μεταλλικών αφρού για μεταφορά θερμότητας αλλαγής φάσης των ψυκτικών πρέπει να λαμβάνεται υπόψη υπό το φως των επιδράσεων των λιπαντικών.