Svojstva prijenosa topline metalnih pjena otvorenih stanica

Metalna pjena je vrsta višenamjenskog kompozitnog metalnog materijala koji sadrži određeni broj, određenu veličinu pora i određenu poroznost u metalnoj matrici. Pjenasti metal ima jedinstvene strukturne karakteristike kao što su velika specifična površina, velika poroznost i mala gustoća, te ima višenamjenske kompozitne karakteristike kao što su disipacija topline (otvorena ćelija), toplinska izolacija (zatvorena ćelija), apsorpcija zvuka i prigušivanje vibracija, lagana , visoka specifična čvrstoća, elektromagnetska zaštita itd., i to je vrsta strukturnog i funkcionalnog materijala koji integrira svojstva termofizika, mehanika, akustika i elektricitet.
Zametalna pjena otvorenih ćelija, visoka poroznost i složena trodimenzionalna mrežasta struktura čine ga vrlo dobrom disipacijom topline i visokom učinkovitošću prijenosa topline, što ima vrlo široku perspektivu primjene u području kompaktnih izmjenjivača topline, hlađenja mikroelektroničkih uređaja i tako dalje. Za svojstva prijenosa topline pjenastog metala s otvorenim ćelijama istražen je i analiziran status istraživanja iz područja primjene kompaktnih izmjenjivača topline.
Metalna pjenaza kompaktne izmjenjivače topline
Poboljšana svojstva prijenosa topline metalne pjene općenito su priznata. Kada plin ili tekućina teče kroz rupe, toplina se prenosi i izmjenjuje u obliku prisilne konvekcije između metalne pjene s otvorenom ćelijskom strukturom i tekućine. S jedne strane, složena trodimenzionalna mrežasta struktura metalne pjene čini nelinearni učinak tekućine, a stupanj turbulencije također je ojačan, čime se promiče čvrsta površina tekućine u visokom lokalnom prijenosu topline; s druge strane, velika specifična površina pjenastog metala također je važan razlog zašto metal ima dobre performanse prijenosa topline. Trenutačno se proučavanje metalne pjene za performanse prijenosa kompaktnog izmjenjivača topline uglavnom fokusira na poboljšani prijenos topline na strani zraka i na poboljšani prijenos topline na strani rashladnog sredstva.
Za poboljšana svojstva prijenosa topline metalne pjene na strani zraka, metalna pjena se koristi umjesto rebara za odvođenje topline u primjenama gdje se koriste tradicionalna rebra, kao što su elektroničke komponente za hlađenje, pločasti izmjenjivači topline i rebrasti izmjenjivači topline. U kompaktnim izmjenjivačima topline, svojstva protoka prijenosa topline trenutno se proučavaju uglavnom za bakrene i aluminijske pjenaste metale s gustoćom pora općenito manjom od 40% i poroznošću od 70% ili više.
Pri određenoj veličini pora, brzina prijenosa topline raste s povećanjem poroznosti i dominira. S druge strane, za određenu poroznost, što je veća gustoća pora, to je niža učinkovitost prijenosa topline, što može biti posljedica pretjerano velike veličine pora. Parametri strukture pora poroznost, gustoća pora i promjer pora glavni su čimbenici koji utječu na izvedbu prijenosa toplinemetalne pjene. Za primjenu metalne pjene u hlađenju elektroničkih komponenti, učinci poroznosti metalne pjene i promjera pora na učinak rasipanja topline istraženi su ortogonalnim eksperimentima. Rezultati pokazuju da je pod prisilnom konvekcijom učinak disipacije topline pjenastog metala povezan sa strukturom pora, na koju veličina pora ima najveći utjecaj.
Neki rezultati istraživanja pokazuju da iako pjenasti metal ima snažnu ulogu u poboljšanju prijenosa topline, rast otpora nije zanemariv zajedno s rastom performansi izmjenjivača topline. Učinkovitost prijenosa topline pjenastog metala značajno se poboljšava pri manjem gubitku tlaka, a gubitak tlaka raste s povećanjem gustoće pora. Rezultati studije su poučni za dizajn i proizvodnju laganih i kompaktnih izmjenjivača topline visoke učinkovitosti. Provedena je eksperimentalna studija izmjenjivača topline od pjenastog metala i rebrastih izmjenjivača topline iste veličine i utvrđeno je da je pod istim uvjetima ispitivanja pjenasti izmjenjivač topline bio manje učinkovit od rebrastog izmjenjivača topline, a gubitak tlaka i koeficijent trenja bio je veći od koeficijenta rebrastog izmjenjivača topline. Porozni pjenasti metal ima očit učinak ojačanja na konvektivni prijenos topline, a učinak ojačanja se smanjuje s povećanjem Reynoldsovog broja; porozni pjenasti metal očito povećava otpor protoka tekućine, ali umnožak povećanja otpora opada s povećanjem Reynoldsovog broja. Vidi se sveobuhvatno jačanje konvektivnog prijenosa topline i povećanje pada tlaka u protoku dva aspekta,porozni pjenasti metalje prikladniji za tekućinu s manjim protokom. Pjenasti metal ima ulogu poboljšanog prijenosa topline sa strane zraka, ali istovremeno poboljšava performanse prijenosa topline, otpor se također povećava, a ukupna izvedba lošija je od tradicionalnih peraja. Istraživanja pokazuju da je pjenasti metal prikladan za rijetke prilike slabog protoka. Stoga, pjenasti metal s poboljšanim prijenosom topline na strani zraka treba uzeti u obzir prilike primjene i ne može naslijepo provoditi alternativna istraživanja tradicionalnog rasipanja topline peraja.

Metalna pjena također može igrati ulogu u poboljšanju prijenosa topline rashladnog sredstva promjenom faze. Rezultati pokazuju da se, kada je poroznost sigurna, učinak prijenosa topline udvostručuje kako se gustoća pora smanjuje s 20 na 40 PPI, a veličina pora smanjuje, zbog finije stanične strukture s većom površinom i intenzivnijim poremećajima. Pri visokim brzinama protoka, koeficijent prijenosa topline ključanja održava stabilan i spor porast s povećanjem suhoće. Uz postupno povećanje radnog tlaka, fenomen prijenosa topline ključanja pri niskoj suhoći sličan je vrenju tla, tj. prijenos topline se pojačava s porastom tlaka, ali porast tlaka do određene mjere igra pogoršavajuću ulogu u vrenju prijenos topline. Koeficijent prijenosa topline bakrenih pjenastih cijevi je oko tri puta veći nego kod svjetlosnih cijevi. U slučaju čistog rashladnog sredstva, prisutnost pjenastog metala pojačava tok prijenosa topline ključanja, a koeficijent prijenosa topline se povećava do 185%. U slučaju uvjeta koji sadrže ulje, učinak metalne pjene za jačanje prijenosa topline je oslabljen; pod istim uvjetima, u usporedbi s pjenastim metalom od 5 PPI, pjenastim metalom od 10 PPI može povećati koeficijent prijenosa topline do 0,6 puta, a manja veličina pora može poboljšati koeficijent prijenosa topline protoka ključanja.
Opsežno su analizirani učinci masenog protoka i suhoće dvofaznog fluida na pad tlaka kondenzacije protoka i koeficijent prijenosa topline. Rezultati pokazuju da je pad tlaka prstenaste metalne pjenaste cijevi ispunjene unutarnjom stijenkom mnogo veći nego kod svjetlosne cijevi, a pad tlaka raste brzo i nelinearno s povećanjem masenog protoka i suhoće. Koeficijent prijenosa topline kondenzacije prstenaste metalne pjenaste cijevi ispunjene unutarnjom stijenkom veći je od koeficijenta prijenosa topline svjetlosne cijevi, a koeficijent prijenosa topline raste s povećanjem masenog protoka i suhoće, a koeficijent prijenosa topline kondenzacije protoka ovog tipa armiranih cijevi je oko dva puta više nego kod svjetlosnih cijevi. Budući da je njegov kapilarni učinak očigledan, gustoća pora ojačane cijevi od 130 PPI je najbolji učinak, za svjetlosnu cijev 3,06 puta, cijev od 40 PPI uglavnom je slična strukturi niskorebraste cijevi kao sredstva za jačanje.
U kompaktnom izmjenjivaču topline,metalna pjenamože se u potpunosti iskoristiti za jačanje uloge prijenosa topline, ali studija je pokazala da su karakteristike otpora rasta pjenastog metala također vrlo značajne, potreba za sveobuhvatnim performansama za procjenu primjene pjenastog metala u kompaktnom izmjenjivaču topline. Osim toga, u prisutnosti maziva koja sadrže ulje, pjenasti metali mogu dovesti do pogoršanja prijenosa topline, a poboljšani prijenos topline metalnih pjena za faznu promjenu topline rashladnih sredstava treba razmotriti u svjetlu učinaka maziva.