Wärmeübertragungseigenschaften von offenzelligen Metallschäumen

Metallschaum ist ein multifunktionaler Metallverbundwerkstoff mit einer bestimmten Anzahl, Größe und Porosität in der Metallmatrix. Schaummetall zeichnet sich durch einzigartige Struktureigenschaften wie große spezifische Oberfläche, hohe Porosität und geringe Dichte aus. Darüber hinaus verfügt es über multifunktionale Verbundeigenschaften wie Wärmeableitung (offenzellig), Wärmedämmung (geschlossenzellig), Schallabsorption und Schwingungsdämpfung, geringes Gewicht, hohe spezifische Festigkeit und elektromagnetische Abschirmung. Es ist ein Struktur- und Funktionsmaterial, das die Eigenschaften von Thermophy vereint.Sics, Mechanik, Akustik und Elektrizität.
Füroffenzelliger MetallschaumDie hohe Porosität und die komplexe dreidimensionale Netzstruktur sorgen für eine sehr gute Wärmeableitung und hohe Wärmeübertragungseffizienz, was sehr breite Anwendungsaussichten im Bereich kompakter Wärmetauscher, der Kühlung mikroelektronischer Geräte usw. bietet. Der Forschungsstand zu den Wärmeübertragungseigenschaften von offenzelligem Schaummetall wird anhand der Anwendungsbereiche kompakter Wärmetauscher untersucht und analysiert.
Metallschaumfür Kompaktwärmetauscher
Die verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften von Metallschaum sind allgemein anerkannt. Strömt ein Gas oder eine Flüssigkeit durch die Löcher, wird die Wärme durch Zwangskonvektion zwischen dem offenzelligen Metallschaum und der Flüssigkeit übertragen und ausgetauscht. Die komplexe dreidimensionale Netzstruktur des Metallschaums erzeugt einerseits einen nichtlinearen Effekt der Flüssigkeit und verstärkt die Turbulenz, wodurch die feste Oberfläche der Flüssigkeit eine hohe lokale Wärmeübertragung ermöglicht. Andererseits ist die große spezifische Oberfläche des Schaummetalls ein wichtiger Grund für die gute Wärmeübertragungsleistung des Metalls. Derzeit konzentriert sich die Forschung zur Wärmeübertragung von Metallschaum für kompakte Wärmetauscher hauptsächlich auf die verbesserte luftseitige und kältemittelseitige Wärmeübertragung.
Um die luftseitig verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften von Metallschaum zu verbessern, wird dieser anstelle von Lamellen zur Wärmeableitung in Anwendungen eingesetzt, in denen herkömmliche Lamellen zum Einsatz kommen, z. B. zur Kühlung elektronischer Komponenten, Plattenwärmetauschern und Rippenwärmetauschern. In kompakten Wärmetauschern werden die Strömungswärmeübertragungseigenschaften derzeit hauptsächlich für Kupfer- und Aluminiumschaummetalle mit Porendichten von in der Regel weniger als 40 % und Porositäten von 70 % oder mehr untersucht.
Ab einer bestimmten Porengröße steigt die Wärmeübertragungsrate mit zunehmender Porosität und dominiert. Andererseits gilt bei einer bestimmten Porosität: Je höher die Porendichte, desto geringer die Wärmeübertragungseffizienz, was auf die übermäßig große Porengröße zurückzuführen sein kann. Die Porenstrukturparameter Porosität, Porendichte und Porendurchmesser sind die Hauptfaktoren, die die Wärmeübertragungsleistung beeinflussen.MetallschäumeFür die Anwendung von Metallschaum zur Kühlung elektronischer Komponenten wurden die Auswirkungen der Porosität und des Porendurchmessers des Metallschaums auf die Wärmeableitungswirkung durch orthogonale Experimente untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wärmeableitungsleistung von Schaummetall unter Zwangskonvektion von der Porenstruktur abhängt, wobei die Porengröße den größten Einfluss hat.
Einige Forschungsergebnisse zeigen, dass Schaummetall zwar maßgeblich zur Verbesserung der Wärmeübertragung beiträgt, der Widerstandsanstieg jedoch mit der Leistungssteigerung des Wärmetauschers nicht vernachlässigbar ist. Die Wärmeübertragungseffizienz von Schaummetall verbessert sich deutlich bei geringerem Druckverlust, wobei der Druckverlust mit zunehmender Porendichte zunimmt. Die Ergebnisse der Studie sind aufschlussreich für die Entwicklung und Herstellung leichter und kompakter, hocheffizienter Wärmetauscher. Eine experimentelle Studie von Schaummetall- und Rippenwärmetauschern gleicher Größe zeigte, dass Schaummetall-Wärmetauscher unter gleichen Testbedingungen weniger effizient waren als Rippenwärmetauscher und Druckverlust sowie Reibungskoeffizient höher waren als bei Rippenwärmetauschern. Poröses Schaummetall hat einen deutlich verstärkenden Effekt auf die konvektive Wärmeübertragung, der mit steigender Reynolds-Zahl abnimmt. Poröses Schaummetall erhöht den Strömungswiderstand des Fluids deutlich, der Widerstandsanstieg nimmt jedoch mit steigender Reynolds-Zahl ab. Es sind zwei Aspekte einer umfassenden Verstärkung der konvektiven Wärmeübertragung und einer Erhöhung des Druckabfalls im Durchfluss erkennbar:poröses Schaummetalleignet sich besser für Flüssigkeiten mit geringerer Durchflussrate. Schaummetall dient der luftseitigen Wärmeübertragung. Gleichzeitig verbessert sich jedoch die Wärmeübertragungsleistung, der Widerstand erhöht sich und die Gesamtleistung ist schlechter als bei herkömmlichen Lamellen. Studien zeigen, dass Schaummetall für seltene Anwendungen mit geringer Durchflussrate geeignet ist. Daher muss die luftseitige Wärmeübertragung von Schaummetall den Anwendungszweck berücksichtigen und kann nicht blind auf die Forschung zu Alternativen zur Wärmeableitung mit herkömmlichen Lamellen zurückgreifen.

Metallschaum kann auch die Wärmeübertragung von Kältemitteln durch Phasenwechsel verbessern. Die Ergebnisse zeigen, dass sich bei gleichbleibender Porosität die Wärmeübertragungsleistung verdoppelt, wenn die Porendichte von 20 auf 40 PPI abnimmt und die Porengröße abnimmt. Grund dafür ist die feinere Zellstruktur mit größerer Oberfläche und stärkerer Störung. Bei hohen Durchflussraten steigt der Siedewärmeübergangskoeffizient mit zunehmender Trockenheit stetig und langsam an. Mit zunehmendem Betriebsdruck ähnelt das Phänomen der Siedewärmeübertragung bei geringer Trockenheit dem Grundsieden. Der Wärmeübergang wird mit steigendem Druck intensiviert, der Druckanstieg beeinträchtigt den Siedewärmeübergang jedoch bis zu einem gewissen Grad. Der Wärmeübergangskoeffizient von Kupferschaumrohren ist etwa dreimal höher als der von dünnen Rohren. Bei reinem Kältemittel verstärkt Schaummetall den Siedewärmeübergang, und der Wärmeübergangskoeffizient steigt um bis zu 185 %. Bei ölhaltigen Bedingungen schwächt sich die wärmeübertragungsverstärkende Wirkung von Metallschaum ab. Unter den gleichen Bedingungen kann 10PPI-Schaummetall den Wärmeübertragungskoeffizienten im Vergleich zu 5PPI-Schaummetall um bis zu 0,6-mal erhöhen, und eine kleinere Porengröße kann den Wärmeübertragungskoeffizienten beim Fließsieden verbessern.
Die Auswirkungen von Massenstrom und Trockenheit des Zweiphasenfluids auf den Kondensationsdruckabfall und den Wärmeübergangskoeffizienten wurden umfassend analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Druckabfall des innenwandgefüllten ringförmigen Metallschaumrohrs deutlich größer ist als der eines Leichtrohrs und mit zunehmendem Massenstrom und Trockenheitsgehalt schnell und nichtlinear ansteigt. Der Kondensationswärmeübergangskoeffizient des innenwandgefüllten ringförmigen Metallschaumrohrs ist größer als der eines Leichtrohrs und steigt mit zunehmendem Massenstrom und Trockenheitsgehalt an. Der Kondensationswärmeübergangskoeffizient dieses verstärkten Rohrtyps ist etwa doppelt so hoch wie der eines Leichtrohrs. Aufgrund des ausgeprägten Kapillareffekts ist die Porendichte des verstärkten Rohrs mit 130 PPI am wirksamsten; bei Leichtrohren beträgt sie das 3,06-fache, während das 40 PPI-Rohr hinsichtlich seiner Verstärkung im Wesentlichen der Struktur eines niedrig gerippten Rohrs ähnelt.
Im KompaktwärmetauscherMetallschaumDie Funktion der Wärmeübertragung kann voll ausgenutzt werden. Die Studie zeigte jedoch, dass auch die Widerstandseigenschaften des Schaummetallwachstums von großer Bedeutung sind. Daher ist eine umfassende Leistungsbewertung der Anwendung von Schaummetall in kompakten Wärmetauschern erforderlich. Darüber hinaus können Schaummetalle in Gegenwart ölhaltiger Schmiermittel die Wärmeübertragung beeinträchtigen. Die verbesserte Wärmeübertragung von Metallschäumen für die Phasenwechsel-Wärmeübertragung von Kältemitteln muss im Hinblick auf die Auswirkungen von Schmiermitteln berücksichtigt werden.