Wärmeübertragungseigenschaften von Metallschäumen und ihre Anwendungserforschung in der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik

Wärmeübertragungseigenschaften von geschäumtenMetallS

1. Hohe Wärmeleitfähigkeit und Multimode-Wärmeübertragung

Die effektive Wärmeleitfähigkeit （keffkeff​） von Metallschäumen wird durch die kombinierten Effekte von Festkörperwärmeleitung, Gasleitung, Konvektion und Strahlung bestimmt. Die hohe Wärmeleitfähigkeit ihrer Festkörperskelette (z. B.Aluminium, Kupfer) sagenInDie Wärmeübertragungseffizienz wird deutlich verbessert, während die dreidimensionale, vernetzte Porenstruktur die konvektive Wärmeübertragung zwischen Flüssigkeiten und Feststoffen verstärkt. Beispielsweise kann die effektive Wärmeleitfähigkeit von kupferbasierten Metallschäumen die herkömmlicher Materialien um mehr als das Dreifache übertreffen.

2. Einfluss von Porosität und Porenstruktur

Porosität (typischerweise 80–99 %) und Porendichte sind entscheidende Parameter für die Wärmeübertragungsleistung. Eine hohe Porosität vergrößert die Flüssigkeitskontaktfläche, kann aber das nichtlokale thermische Gleichgewicht zwischen Flüssigkeiten und Feststoffen beeinträchtigen, insbesondere bei niedrigen Reynolds-Zahlen, bei denen die Temperaturunterschiede deutlich werden.

Offenzellige Strukturen (miteinander verbundene Poren) eignen sich besser für Fluidströmungsszenarien, wie etwa Wärmetauscher, während geschlossenzellige Strukturen häufig zur Wärmedämmung oder bei Leichtbauanforderungen eingesetzt werden.

3. Strömungswiderstandseigenschaften

Der Druckabfall (Δp) von Flüssigkeiten, die Metallschäume durchströmen, weist eine nichtlineare Beziehung zur Fließgeschwindigkeit auf. Die Analyse erfordert das Darcy-Brinkman-Forchheimer-Modell, um sowohl den Viskositäts- als auch den Trägheitswiderstand zu berücksichtigen. Durch die Optimierung von Porosität und Permeabilität können Wärmeübertragungseffizienz und Pumpenergieverbrauch in Einklang gebracht werden.

Anwendungsszenarien in der HLK-Branche

1. Verbesserte Wärmetauscherleistung

Kompakte Wärmetauscher: Wärmetauscher eingebettet mitMetallschäumekönnen konvektive Wärmeübergangskoeffizienten erreichen, die drei- bis neunmal höher sind als bei herkömmlichen Konstruktionen. Beispielsweise weisen Rohrbündelwärmetauscher mit Metallschaumfüllung eine dreimal höhere Wärmeleitfähigkeit als herkömmliche Rohre auf und erreichen bei oszillierender Strömung sogar einen höheren Wirkungsgrad.

Kompromiss zwischen Druckabfall und Effizienz**: Obwohl der Wärmewiderstand von Metallschaum-Wärmetauschern zwei- bis dreimal niedriger ist als bei herkömmlichen Rippenplattenkonstruktionen, ist eine strukturelle Optimierung (z. B. Anpassung der Porosität und Porendichte) erforderlich, um die negativen Auswirkungen eines hohen Strömungswiderstands zu mildern.

2. Solarthermische Anlagen

Flachkollektoren**: Metallschäume dienen als Wärmeverstärker in Solarabsorbern und verbessern die Gleichmäßigkeit der Wärmeverteilung und die Strahlungsabsorptionseffizienz. Studien zeigen, dass mit Metallschäumen gefüllte Kollektoren die Nusselt-Zahl (Nu) um 82 % erhöhen können.

Hochtemperaturanwendungen: Keramikschäume (z. B. Siliziumkarbid) in Solarempfängern können Temperaturen bis zu 1350 °C standhalten, während Metallschäume (z. B. Aluminium, Nickel) in Szenarien mit mittleren bis niedrigen Temperaturen (z. B. Warmwassersystemen) Kostenvorteile bieten.

3. Thermische Energiespeicherung und Phasenwechselmaterial (PCM)-Verbundwerkstoffe

Latentwärmespeicherung: Metallschäume in Kombination mit PCMs (z. B. Paraffin, Natriumnitrat) nutzen die hohe Wärmeleitfähigkeit des Metalls, um den Wärmeübergang zu beschleunigen und gleichzeitig die hohe Energiespeicherdichte des PCMs zu nutzen. Beispielsweise aluminiumbasierteMetallschaum-Paraffin-Verbundstoffe weisen eine deutlich verbesserte Wärmespeicherrate auf.

Sinnvolle Wärmespeicherung: Metallschäume, die direkt als Wärmespeichermedien verwendet werden, eignen sich für Szenarien mit schneller Ladung/Entladung, wie etwa industrielle Abwärmerückgewinnungssysteme.

Technische Herausforderungen und Optimierungsstrategien

1. Ausgleich von Druckabfall und Wärmeübertragung

Hohe Wärmeübertragungseffizienz geht mit hohem Strömungswiderstand einher. Lösungen zur Reduzierung des Energieverbrauchs sind beispielsweise poröse Strukturdesigns (z. B. Gradientenporosität) oder Materialhybridisierungen (z. B. gemischte Metallskelette).

2. Nichtlokale thermische Gleichgewichtsphänomene

Bei niedrigen Fließgeschwindigkeiten oder hoher Porosität können Temperaturunterschiede zwischen Fluiden und Feststoffskeletten die Systemstabilität beeinträchtigen. Zur Optimierung der Betriebsparameter sind numerische Simulationen (z. B. lokale thermische Nichtgleichgewichtsmodelle) erforderlich.

3. Materialhaltbarkeit und Kosten

Längerer Kontakt mit hohen Temperaturen oder korrosiven Umgebungen kann die Leistung beeinträchtigen. Lösungen umfassen die Entwicklung korrosionsbeständiger Legierungen (z. B. Edelstahlschäume) oder Oberflächenbeschichtungstechnologien. Darüber hinaus ist die Senkung der Herstellungskosten (z. B. durch Optimierung der Schäumprozesse) für großtechnische Anwendungen entscheidend.

Zukunftsaussichten

Metallschäume bieten ein breites Anwendungspotenzial in der Klima- und Heizungstechnik, insbesondere im Kontext der CO2-Neutralität. Ihre hocheffizienten Wärmeübertragungs- und Energiespeicherfähigkeiten können die Energienutzung deutlich verbessern. Zukünftige Forschungsschwerpunkte sind:

Intelligentes Strukturdesign: Präzise Kontrolle der Porenstrukturen durch 3D-Druck.

Multimaterial-Hybridisierung: Integration mit PCMs, Nanofluiden und anderen Materialien zur Entwicklung multifunktionaler Verbundwerkstoffe.

Fachübergreifende Anwendungen: Erkundung des Potenzials in aufstrebenden Bereichen wie Gebäudeisolierung und Wärmemanagement von Elektrofahrzeugen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Wärmeübertragungseigenschaften von Metallschäumen gut mit den Anforderungen der Klima- und Heizungstechnik vereinbar sind. Für ihre breite Anwendung sind jedoch technische Herausforderungen zu bewältigen und die Materialleistung sowie die Kosteneffizienz kontinuierlich zu optimieren.