Propriedades de transferência de calor de espumas metálicas de células abertas

A espuma metálica é um tipo de material metálico composto multifuncional que contém um certo número, um certo tamanho de poros e uma certa porosidade na matriz metálica. A espuma metálica possui características estruturais únicas, como grande área superficial específica, grande porosidade e baixa densidade, além de características compostas multifuncionais, como dissipação de calor (célula aberta), isolamento térmico (célula fechada), absorção sonora e amortecimento de vibração, leveza, alta resistência específica, blindagem eletromagnética, etc., sendo um tipo de material estrutural e funcional que integra as propriedades de termofissão.Sics, mecânica, acústica e eletricidade.
Paraespuma metálica de célula abertaA alta porosidade e a complexa estrutura de malha tridimensional conferem-lhe excelente dissipação de calor e alta eficiência de transferência de calor, o que lhe confere uma ampla perspectiva de aplicação na área de trocadores de calor compactos, resfriamento de dispositivos microeletrônicos, entre outros. Quanto às propriedades de transferência de calor da espuma metálica de células abertas, seu status de pesquisa é investigado e analisado a partir das áreas de aplicação de trocadores de calor compactos.
Espuma de metalpara trocadores de calor compactos
As propriedades aprimoradas de transferência de calor da espuma metálica são amplamente reconhecidas. Quando o gás ou líquido flui através dos orifícios, o calor é transferido e trocado na forma de convecção forçada entre a espuma metálica com estrutura de células abertas e o fluido. Por um lado, a complexa estrutura de malha tridimensional da espuma metálica cria o efeito não linear do fluido, e o grau de turbulência também é reforçado, promovendo assim a superfície sólida ao fluido na alta transferência de calor local; por outro lado, a grande área de superfície específica do metal da espuma também é uma razão importante para o metal ter bom desempenho de transferência de calor. Atualmente, o estudo do desempenho de transferência de espuma metálica para trocadores de calor compactos concentra-se principalmente na transferência de calor aprimorada do lado do ar e na transferência de calor aprimorada do lado do refrigerante.
Para as propriedades de transferência de calor aprimoradas do lado do ar da espuma metálica, a espuma metálica é usada em vez de aletas para dissipação de calor em aplicações onde as aletas tradicionais são utilizadas, como no resfriamento de componentes eletrônicos, trocadores de calor de placas e trocadores de calor com aletas. Em trocadores de calor compactos, as propriedades de transferência de calor em fluxo são atualmente estudadas principalmente para metais de espuma de cobre e alumínio com densidades de poros geralmente inferiores a 40% e porosidades de 70% ou mais.
Em um determinado tamanho de poro, a taxa de transferência de calor aumenta com o aumento da porosidade e predomina. Por outro lado, para uma determinada porosidade, quanto maior a densidade dos poros, menor a eficiência da transferência de calor, o que pode ser devido ao tamanho excessivo dos poros. Os parâmetros da estrutura dos poros, como porosidade, densidade dos poros e diâmetro dos poros, são os principais fatores que afetam o desempenho da transferência de calor.espumas metálicasPara a aplicação de espuma metálica no resfriamento de componentes eletrônicos, os efeitos da porosidade e do diâmetro dos poros da espuma metálica no efeito de dissipação de calor foram investigados por meio de experimentos ortogonais. Os resultados mostram que, sob convecção forçada, o desempenho de dissipação de calor da espuma metálica está relacionado à estrutura dos poros, sendo o tamanho dos poros o fator mais importante.
Alguns resultados de pesquisa mostram que, embora a espuma metálica tenha um papel importante no aumento da transferência de calor, o crescimento da resistência não é desprezível, juntamente com o crescimento do desempenho do trocador de calor. A eficiência da transferência de calor da espuma metálica é significativamente melhorada com menor perda de pressão, e a perda de pressão aumenta com o aumento da densidade dos poros. Os resultados do estudo são instrutivos para o projeto e a fabricação de trocadores de calor leves e compactos de alta eficiência. Um estudo experimental de trocadores de calor de espuma metálica e trocadores de calor com aletas do mesmo tamanho foi realizado, e foi descoberto que, sob as mesmas condições de teste, o trocador de calor de espuma metálica foi menos eficiente do que o trocador de calor com aletas, e a perda de pressão e o coeficiente de atrito foram maiores do que aqueles do trocador de calor com aletas. A espuma metálica porosa tem um efeito de fortalecimento óbvio na transferência de calor convectiva, e o efeito de fortalecimento diminui com o aumento do número de Reynolds; a espuma metálica porosa faz com que a resistência ao fluxo do fluido aumente obviamente, mas a multiplicação do aumento da resistência diminui com o aumento do número de Reynolds. Pode-se observar um fortalecimento abrangente da transferência de calor por convecção e um aumento na queda de pressão no fluxo de dois aspectos,espuma metálica porosaÉ mais adequado para fluidos com menor vazão. A espuma metálica desempenha o papel de melhorar a transferência de calor pelo lado do ar, mas, ao mesmo tempo, melhora o desempenho da transferência de calor, aumentando a resistência e o desempenho geral, inferior ao das aletas tradicionais. Pesquisas mostram que a espuma metálica é adequada para raras ocasiões de baixa vazão. Portanto, a transferência de calor aprimorada pelo lado do ar da espuma metálica precisa considerar as ocasiões de aplicação e não pode realizar pesquisas alternativas de dissipação de calor pelas aletas tradicionais às cegas.

A espuma metálica também pode desempenhar um papel no aprimoramento da transferência de calor do refrigerante por mudança de fase. Os resultados mostram que, quando a porosidade é determinada, o desempenho da transferência de calor dobra à medida que a densidade dos poros diminui de 20 para 40 PPI e o tamanho dos poros diminui, devido à estrutura celular mais fina, com maior área de superfície e perturbação mais intensa. Em altas vazões, o coeficiente de transferência de calor em ebulição mantém um aumento constante e lento com o aumento da secura. Com o aumento gradual da pressão operacional, o fenômeno de transferência de calor em ebulição em baixa secura é semelhante à ebulição em solo, ou seja, a transferência de calor é intensificada com o aumento da pressão, mas o aumento da pressão até certo ponto desempenha um papel de deterioração na transferência de calor em ebulição. O coeficiente de transferência de calor dos tubos de espuma de cobre é cerca de três vezes maior do que o dos tubos leves. No caso de refrigerante puro, a presença de espuma metálica melhora o fluxo de transferência de calor em ebulição, e o coeficiente de transferência de calor é aumentado em até 185%. No caso de condições que contêm óleo, o efeito da espuma metálica para fortalecer a transferência de calor é enfraquecido; sob as mesmas condições, em comparação com a espuma metálica 5PPI, a espuma metálica 10PPI pode aumentar o coeficiente de transferência de calor em até 0,6 vezes, e o tamanho menor dos poros pode melhorar o coeficiente de transferência de calor de ebulição do fluxo.
Os efeitos da vazão mássica e da secura do fluido bifásico na queda de pressão de condensação do fluxo e no coeficiente de transferência de calor foram analisados ​​de forma abrangente. Os resultados mostram que a queda de pressão do tubo de espuma metálica anular preenchido com a parede interna é muito maior do que a do tubo leve, e a queda de pressão aumenta rápida e não linearmente com o aumento da vazão mássica e da secura. O coeficiente de transferência de calor de condensação do tubo de espuma metálica anular preenchido com a parede interna é maior do que o do tubo leve, e o coeficiente de transferência de calor aumenta com o aumento da vazão mássica e da secura, e o coeficiente de transferência de calor de condensação do fluxo deste tipo de tubo reforçado é cerca de duas vezes maior do que o do tubo leve. Como seu efeito capilar é óbvio, a densidade de poros do tubo reforçado de 130 PPI é o melhor efeito; para o tubo leve, 3,06 vezes, o tubo de 40 PPI é principalmente semelhante à estrutura do tubo com nervuras baixas como meio de reforço.
No trocador de calor compacto,espuma metálicapode ser totalmente utilizado para fortalecer o papel da transferência de calor, mas o estudo mostrou que as características de resistência do crescimento do metal espumoso também são muito significativas, sendo necessário um desempenho abrangente para avaliar a aplicação do metal espumoso em trocadores de calor compactos. Além disso, na presença de lubrificantes contendo óleo, os metais espumosos podem levar à deterioração da transferência de calor, e o aumento da transferência de calor de espumas metálicas para transferência de calor por mudança de fase de refrigerantes precisa ser considerado à luz dos efeitos dos lubrificantes.