Lastnosti prenosa toplote kovinskih pen z odprtimi celicami

Kovinska pena je nekakšen večnamenski kompozitni kovinski material, ki vsebuje določeno število, določeno velikost por in določeno poroznost v kovinski matrici. Penasta kovina ima edinstvene strukturne značilnosti, kot so velika specifična površina, velika poroznost in majhna gostota, in ima večnamenske kompozitne lastnosti, kot so odvajanje toplote (odprta celica), toplotna izolacija (zaprta celica), absorpcija zvoka in dušenje vibracij, lahka , visoka specifična trdnost, elektromagnetna zaščita itd., in je nekakšen strukturni in funkcionalni material, ki združuje lastnosti termofizika, mehanika, akustika in elektrika.
Zakovinska pena z odprtimi celicami, zaradi visoke poroznosti in kompleksne tridimenzionalne mrežne strukture ima zelo dobro odvajanje toplote in visoko učinkovitost prenosa toplote, kar ima zelo široko možnost uporabe na področju kompaktnih toplotnih izmenjevalcev, hlajenja mikroelektronskih naprav itd. Za lastnosti prenosa toplote odprtocelične penaste kovine je njen status raziskav raziskan in analiziran s področij uporabe kompaktnih toplotnih izmenjevalcev.
Kovinska penaza kompaktne izmenjevalnike toplote
Izboljšane lastnosti prenosa toplote kovinske pene so splošno priznane. Ko plin ali tekočina teče skozi luknje, se toplota prenaša in izmenjuje v obliki prisilne konvekcije med kovinsko peno z odprtocelično strukturo in tekočino. Po eni strani kompleksna tridimenzionalna mrežasta struktura kovinske pene povzroči nelinearni učinek tekočine, stopnja turbulence pa se prav tako okrepi, s čimer spodbuja trdno površino tekočine pri visokem lokalnem prenosu toplote; po drugi strani pa je velika specifična površina penaste kovine tudi pomemben razlog za dober prenos toplote. Trenutno se študija kovinske pene za učinkovitost prenosa kompaktnega toplotnega izmenjevalnika osredotoča predvsem na izboljšan prenos toplote na strani zraka in na strani hladilnega sredstva.
Za izboljšane lastnosti prenosa toplote kovinske pene na strani zraka se kovinska pena uporablja namesto reber za odvajanje toplote v aplikacijah, kjer se uporabljajo tradicionalna rebra, kot so hlajenje elektronskih komponent, ploščni toplotni izmenjevalniki in rebrasti toplotni izmenjevalniki. Pri kompaktnih toplotnih izmenjevalnikih se lastnosti pretočnega prenosa toplote trenutno proučujejo predvsem za bakrene in aluminijeve pene z gostoto por na splošno manj kot 40 % in poroznostjo 70 % ali več.
Pri določeni velikosti por stopnja prenosa toplote narašča s povečanjem poroznosti in prevladuje. Po drugi strani pa je za določeno poroznost večja kot je gostota por, nižja je učinkovitost prenosa toplote, kar je lahko posledica prevelike velikosti por. Parametri strukture por poroznost, gostota por in premer por so glavni dejavniki, ki vplivajo na učinkovitost prenosa toplotekovinske pene. Za uporabo kovinske pene pri hlajenju elektronskih komponent so bili z ortogonalnimi eksperimenti raziskani učinki poroznosti kovinske pene in premera por na učinek odvajanja toplote. Rezultati kažejo, da je pri prisilni konvekciji zmogljivost odvajanja toplote penaste kovine povezana s strukturo por, na katero ima velikost por največji vpliv.
Nekateri rezultati raziskav kažejo, da čeprav ima penasta kovina močno vlogo pri povečanju prenosa toplote, rast upora ni zanemarljiva skupaj z rastjo zmogljivosti izmenjevalnika toplote. Učinkovitost prenosa toplote penaste kovine se bistveno izboljša pri manjši izgubi tlaka, izguba tlaka pa se poveča s povečanjem gostote por. Rezultati študije so poučni za načrtovanje in izdelavo lahkih in kompaktnih toplotnih izmenjevalnikov z visokim izkoristkom. Izvedena je bila eksperimentalna študija toplotnih izmenjevalnikov iz penaste kovine in rebrastih toplotnih izmenjevalnikov enake velikosti in ugotovljeno je bilo, da je bil v enakih preskusnih pogojih toplotni izmenjevalnik iz penaste kovine manj učinkovit kot rebrasti izmenjevalnik toplote, izguba tlaka in koeficient trenja višji kot pri rebrastem toplotnem izmenjevalniku. Porozna penasta kovina ima očiten ojačitveni učinek na konvektivni prenos toplote, ojačitveni učinek pa se zmanjša s povečanjem Reynoldsovega števila; zaradi porozne penaste kovine se upor pretoka tekočine očitno poveča, vendar se povečanje upora zmanjša s povečanjem Reynoldsovega števila. Razvidna je celovita krepitev konvektivnega prenosa toplote in povečanje padca tlaka v toku dveh vidikov,porozna penasta kovinaje bolj primeren za tekočine z manjšimi pretoki. Penasta kovina ima vlogo izboljšanega prenosa toplote na zračni strani, vendar se hkrati poveča učinkovitost prenosa toplote, poveča se tudi upor, splošna zmogljivost pa je slabša od tradicionalnih plavuti. Raziskave kažejo, da je penasta kovina primerna za redke priložnosti z nizkim pretokom. Zato mora penasta kovina s povečanim prenosom toplote na zračni strani upoštevati priložnosti uporabe in ne more slepo izvajati tradicionalnih alternativnih raziskav odvajanja toplote s plavuti.

Kovinska pena ima lahko tudi vlogo pri izboljšanju prenosa toplote hladilnega sredstva s fazno spremembo. Rezultati kažejo, da se, ko je poroznost gotova, zmogljivost prenosa toplote podvoji, ko se gostota por zmanjša z 20 na 40 PPI in se zmanjša velikost por zaradi drobnejše celične strukture z večjo površino in intenzivnejšimi motnjami. Pri visokih stopnjah pretoka ohranja koeficient prenosa vrelne toplote enakomerno in počasno naraščanje z naraščajočo suhostjo. S postopnim povečevanjem delovnega tlaka je pojav vrelnega prenosa toplote pri nizki suhosti podoben vrenju v tleh, tj. prenos toplote se s povečanjem tlaka poveča, vendar ima dvig tlaka do določene mere poslabšajočo vlogo pri vrenju prenos toplote. Koeficient toplotnega prehoda cevi iz bakrene pene je približno trikrat višji od koeficienta svetlobnih cevi. V primeru čistega hladilnega sredstva prisotnost pene poveča pretok vrelnega prenosa toplote, koeficient toplotnega prehoda pa se poveča do 185 %. V primeru pogojev, ki vsebujejo olje, je učinek kovinske pene za krepitev prenosa toplote oslabljen; pod enakimi pogoji, v primerjavi s 5PPI penaste kovine, lahko 10PPI penaste kovine poveča koeficient prenosa toplote do 0,6-krat, manjša velikost por pa lahko izboljša koeficient prenosa toplote pri vrenju toka.
Učinki masnega pretoka in suhosti dvofazne tekočine na padec kondenzacijskega tlaka toka in koeficient toplotnega prehoda so bili celovito analizirani. Rezultati kažejo, da je padec tlaka obročaste cevi iz kovinske pene, napolnjene z notranjo steno, veliko večji kot pri svetlobni cevi, padec tlaka pa se hitro in nelinearno povečuje s povečanjem masnega pretoka in suhosti. Koeficient kondenzacijskega prenosa toplote obročaste cevi iz kovinske pene, napolnjene z notranjo steno, je večji od koeficienta svetlobne cevi, koeficient prenosa toplote pa se poveča s povečanjem masnega pretoka in suhosti ter koeficienta prenosa toplote kondenzacijskega toka te vrste ojačanih cevi je približno dvakrat toliko kot pri svetlobnih cevkah. Ker je njegov kapilarni učinek očiten, je gostota por ojačane cevi 130 PPI najboljši učinek, za svetlobno cev 3,06-krat, cev 40 PPI je v glavnem podobna strukturi nizko rebraste cevi kot sredstva za krepitev.
V kompaktnem izmenjevalniku toplote,kovinska penase lahko v celoti izkoristi za krepitev vloge prenosa toplote, vendar je študija pokazala, da so lastnosti odpornosti na rast penaste kovine prav tako zelo pomembne, potreba po celoviti učinkovitosti za oceno uporabe penaste kovine v kompaktnem toplotnem izmenjevalniku. Poleg tega lahko v prisotnosti maziv, ki vsebujejo olje, kovinske pene povzročijo poslabšanje prenosa toplote, zato je treba povečan prenos toplote kovinskih pen za fazno spremembo prenosa toplote hladilnih sredstev upoštevati v luči učinkov maziv.