Proprietà di trasferimento termico delle schiume metalliche a celle aperte

La schiuma metallica è un tipo di materiale metallico composito multifunzionale contenente un certo numero, una certa dimensione di pori e una certa porosità nella matrice metallica. La schiuma metallica presenta caratteristiche strutturali uniche come un'ampia superficie specifica, un'elevata porosità e una bassa densità, e possiede caratteristiche composite multifunzionali come la dissipazione del calore (celle aperte), l'isolamento termico (celle chiuse), l'assorbimento acustico e lo smorzamento delle vibrazioni, la leggerezza, l'elevata resistenza specifica, la schermatura elettromagnetica, ecc., ed è un tipo di materiale strutturale e funzionale che integra le proprietà della termofibra.Sics, meccanica, acustica ed elettricità.
Perschiuma metallica a celle aperteL'elevata porosità e la complessa struttura tridimensionale a maglie gli conferiscono un'ottima dissipazione del calore e un'elevata efficienza di trasferimento termico, con un'ampia prospettiva applicativa nel campo degli scambiatori di calore compatti, del raffreddamento di dispositivi microelettronici e così via. Per quanto riguarda le proprietà di trasferimento termico del metallo espanso a celle aperte, il suo stato di ricerca viene studiato e analizzato a partire dalle aree applicative degli scambiatori di calore compatti.
schiuma metallicaper scambiatori di calore compatti
Le proprietà di trasferimento termico ottimizzate della schiuma metallica sono state ampiamente riconosciute. Quando il gas o il liquido scorre attraverso i fori, il calore viene trasferito e scambiato sotto forma di convezione forzata tra la schiuma metallica a celle aperte e il fluido. Da un lato, la complessa struttura tridimensionale a maglie della schiuma metallica attenua l'effetto non lineare del fluido e ne aumenta anche il grado di turbolenza, favorendo così l'elevato trasferimento di calore locale dalla superficie solida al fluido; dall'altro, l'ampia superficie specifica della schiuma metallica è un altro fattore importante per le sue buone prestazioni di trasferimento termico. Attualmente, lo studio della schiuma metallica per le prestazioni di trasferimento termico negli scambiatori di calore compatti si concentra principalmente sul miglioramento dello scambio termico lato aria e lato refrigerante.
Per le proprietà di trasferimento termico ottimizzate lato aria della schiuma metallica, la schiuma metallica viene utilizzata al posto delle alette per la dissipazione del calore in applicazioni in cui vengono utilizzate alette tradizionali, come il raffreddamento di componenti elettronici, scambiatori di calore a piastre e scambiatori di calore alettati. Negli scambiatori di calore compatti, le proprietà di trasferimento termico del flusso sono attualmente studiate principalmente per metalli espansi di rame e alluminio con densità dei pori generalmente inferiore al 40% e porosità pari o superiori al 70%.
A una certa dimensione dei pori, la velocità di trasferimento del calore aumenta con l'aumentare della porosità e prevale. D'altra parte, per una certa porosità, maggiore è la densità dei pori, minore è l'efficienza di trasferimento del calore, il che può essere dovuto a una dimensione dei pori eccessivamente grande. I parametri della struttura dei pori, ovvero porosità, densità e diametro dei pori, sono i principali fattori che influenzano le prestazioni di trasferimento del calore.schiume metallichePer l'applicazione della schiuma metallica nel raffreddamento di componenti elettronici, gli effetti della porosità e del diametro dei pori della schiuma metallica sulla dissipazione del calore sono stati studiati mediante esperimenti ortogonali. I risultati mostrano che, in condizioni di convezione forzata, le prestazioni di dissipazione del calore della schiuma metallica sono correlate alla struttura dei pori, in cui la dimensione dei pori ha la maggiore influenza.
Alcuni risultati di ricerca mostrano che, sebbene la schiuma metallica svolga un ruolo importante nel migliorare lo scambio termico, l'aumento della resistenza non è trascurabile, parallelamente all'aumento delle prestazioni dello scambiatore di calore. L'efficienza di scambio termico della schiuma metallica migliora significativamente con minori perdite di carico, che aumentano con l'aumentare della densità dei pori. I risultati dello studio sono utili per la progettazione e la fabbricazione di scambiatori di calore leggeri e compatti ad alta efficienza. È stato condotto uno studio sperimentale su scambiatori di calore in schiuma metallica e scambiatori di calore alettati delle stesse dimensioni, e si è riscontrato che, nelle stesse condizioni di prova, lo scambiatore di calore in schiuma metallica era meno efficiente dello scambiatore di calore alettato, mentre la perdita di carico e il coefficiente di attrito erano superiori a quelli dello scambiatore di calore alettato. La schiuma metallica porosa ha un evidente effetto di rafforzamento sullo scambio termico convettivo, e tale effetto diminuisce con l'aumentare del numero di Reynolds; la schiuma metallica porosa aumenta notevolmente la resistenza al flusso del fluido, ma l'aumento della moltiplicazione della resistenza diminuisce con l'aumentare del numero di Reynolds. Si può osservare un rafforzamento completo dello scambio termico convettivo e un aumento della caduta di pressione nel flusso di due aspetti,schiuma metallica porosaÈ più adatto per fluidi con portate ridotte. La schiuma metallica migliora lo scambio termico lato aria, ma allo stesso tempo aumenta la resistenza e le prestazioni complessive sono inferiori rispetto alle alette tradizionali. La ricerca dimostra che la schiuma metallica è adatta per rare occasioni a bassa portata. Pertanto, la ricerca sulla dissipazione termica lato aria migliorata della schiuma metallica deve tenere conto delle diverse applicazioni e non può basarsi ciecamente sulla tradizionale ricerca sulle alternative di dissipazione del calore delle alette.

La schiuma metallica può anche svolgere un ruolo nel migliorare lo scambio termico del refrigerante tramite cambiamento di fase. I risultati mostrano che, quando la porosità è certa, le prestazioni di scambio termico raddoppiano al diminuire della densità dei pori da 20 a 40 PPI e delle dimensioni dei pori, grazie alla struttura cellulare più fine con una maggiore area superficiale e a una perturbazione più intensa. A portate elevate, il coefficiente di scambio termico per ebollizione mantiene un aumento costante e lento con l'aumentare della secchezza. Con il graduale aumento della pressione di esercizio, il fenomeno dello scambio termico per ebollizione a bassa secchezza è simile all'ebollizione al suolo, ovvero lo scambio termico si intensifica con l'aumento della pressione, ma l'aumento della pressione in una certa misura gioca un ruolo peggiorativo nello scambio termico per ebollizione. Il coefficiente di scambio termico dei tubi in schiuma di rame è circa tre volte superiore a quello dei tubi leggeri. Nel caso di refrigerante puro, la presenza di schiuma metallica migliora il flusso di scambio termico per ebollizione e il coefficiente di scambio termico aumenta fino al 185%. In caso di presenza di olio, l'effetto della schiuma metallica nel rafforzare lo scambio termico si indebolisce; nelle stesse condizioni, rispetto alla schiuma metallica da 5PPI, la schiuma metallica da 10PPI può aumentare il coefficiente di trasferimento di calore fino a 0,6 volte, mentre le dimensioni più piccole dei pori possono migliorare il coefficiente di trasferimento di calore durante l'ebollizione del flusso.
Gli effetti della portata massica e della secchezza del fluido bifase sulla caduta di pressione di condensazione e sul coefficiente di scambio termico sono stati analizzati in modo completo. I risultati mostrano che la caduta di pressione del tubo in schiuma metallica anulare con parete interna riempita è molto maggiore di quella del tubo leggero e che la caduta di pressione aumenta rapidamente e in modo non lineare con l'aumento della portata massica e della secchezza. Il coefficiente di scambio termico di condensazione del tubo in schiuma metallica anulare con parete interna riempita è maggiore di quello del tubo leggero e il coefficiente di scambio termico aumenta con l'aumento della portata massica e della secchezza, mentre il coefficiente di scambio termico di condensazione di questo tipo di tubi rinforzati è circa il doppio di quello del tubo leggero. Poiché il suo effetto capillare è evidente, la densità dei pori del tubo rinforzato da 130 PPI è la migliore, mentre per il tubo leggero è 3,06 volte superiore. Il tubo da 40 PPI è sostanzialmente simile alla struttura del tubo a bassa nervatura come mezzo di rinforzo.
Nello scambiatore di calore compatto,schiuma metallicapuò essere pienamente utilizzato per rafforzare il ruolo del trasferimento di calore, ma lo studio ha dimostrato che anche le caratteristiche di resistenza della crescita della schiuma metallica sono molto significative, rendendo necessaria una valutazione completa delle prestazioni per valutare l'applicazione della schiuma metallica nello scambiatore di calore compatto. Inoltre, in presenza di lubrificanti contenenti olio, le schiume metalliche possono portare a un deterioramento del trasferimento di calore, e il miglioramento del trasferimento di calore delle schiume metalliche per lo scambio termico a cambiamento di fase dei refrigeranti deve essere considerato alla luce degli effetti dei lubrificanti.