Avatud rakuga metallvahtude soojusülekande omadused

Metallvaht on omamoodi multifunktsionaalne komposiitmetallmaterjal, mis sisaldab metallimaatriksis teatud arvu, teatud suurusega poore ja teatud poorsust. Vahtmetallil on ainulaadsed struktuuriomadused, nagu suur eripind, suur poorsus ja väike tihedus, ning multifunktsionaalsed komposiitomadused, nagu soojuse hajumine (avatud rakuline), soojusisolatsioon (suletud rakuline), helineeldumine ja vibratsiooni summutus, kerge kaal , kõrge eritugevus, elektromagnetiline varjestus jne ning see on omamoodi struktuurne ja funktsionaalne materjal, mis integreerib termofüüsika, mehaanika, akustika ja elekter.
Sestavatud rakuga metallvaht, kõrge poorsus ja keerukas kolmemõõtmeline võrgustruktuur muudavad selle väga hea soojuse hajumise ja kõrge soojusülekande efektiivsusega, millel on väga lai kasutusvõimalus kompaktsete soojusvahetite, mikroelektroonikaseadmete jahutuse jms valdkonnas. Avatud rakuga vahtmetalli soojusülekandeomaduste osas uuritakse ja analüüsitakse selle uurimisseisundit kompaktsete soojusvahetite kasutusaladest.
Metallvahtkompaktsete soojusvahetite jaoks
Metallvahu paremaid soojusülekandeomadusi on üldiselt tunnustatud. Kui gaas või vedelik voolab läbi aukude, kandub soojus üle ja vahetub sundkonvektsiooni kujul avatud raku struktuuriga metallvahu ja vedeliku vahel. Ühest küljest muudab metallvahu keerukas kolmemõõtmeline võrgustruktuur vedeliku mittelineaarse efekti ja turbulentsiaste on samuti tugevdatud, soodustades seeläbi tahket pinda vedelikule suure lokaalse soojusülekande korral; teisest küljest on vahtmetalli suur eripind ka oluline põhjus, miks metallil on hea soojusülekandevõime. Praegu keskendub kompaktse soojusvaheti ülekande jõudluse jaoks mõeldud metallvahu uurimine peamiselt õhupoolsele tõhustatud soojusülekandele ja külmutusagensipoolsele tõhustatud soojusülekandele.
Metallvahu õhupoolsete täiustatud soojusülekandeomaduste jaoks kasutatakse soojuse hajutamiseks ribide asemel metallvahtu rakendustes, kus kasutatakse traditsioonilisi ribisid, nagu jahutavad elektroonikakomponendid, plaatsoojusvahetid ja ribidega soojusvahetid. Kompaktsetes soojusvahetites uuritakse praegu voolu soojusülekande omadusi peamiselt vask- ja alumiiniumvahtmetallide puhul, mille pooride tihedus on tavaliselt alla 40% ja poorsus 70% või rohkem.
Teatud pooride suuruse korral suureneb soojusülekande kiirus koos poorsuse suurenemisega ja domineerib. Teisest küljest, teatud poorsuse korral, mida suurem on pooride tihedus, seda madalam on soojusülekande efektiivsus, mis võib olla tingitud liiga suurest poori suurusest. Pooride struktuuri parameetrid poorsus, pooride tihedus ja pooride läbimõõt on peamised tegurid, mis mõjutavad soojusülekande jõudlust.metallvahud. Metallvahu pealekandmiseks jahutavates elektroonikakomponentides uuriti metallivahu poorsuse ja pooride läbimõõdu mõju soojuse hajumise efektile ortogonaalsete katsetega. Tulemused näitavad, et sundkonvektsiooni korral on vahtmetalli soojuseraldusvõime seotud pooride struktuuriga, mille puhul on pooride suurusel suurim mõju.
Mõned uuringutulemused näitavad, et kuigi vahtmetallil on suur roll soojusülekande parandamisel, ei ole takistuse kasv koos soojusvaheti jõudluse kasvuga tähtsusetu. Vahtmetalli soojusülekande efektiivsus paraneb oluliselt väiksema rõhukao korral ja rõhukadu suureneb pooride tiheduse suurenemisega. Uuringu tulemused on õpetlikud kergete ja kompaktsete suure efektiivsusega soojusvahetite projekteerimisel ja valmistamisel. Viidi läbi eksperimentaaluuring vahtmetallist sama suurusega soojusvahetite ja ribidega soojusvahetite kohta ning selgus, et samades katsetingimustes oli vahtmetallist soojusvaheti ribidega soojusvahetist vähem tõhus ning rõhukadu ja hõõrdetegurid olid kõrgemad kui ribidega soojusvaheti omad. Poorsel vahtmetallil on konvektiivsele soojusülekandele ilmne tugevdav toime ja tugevdav toime väheneb Reynoldsi arvu suurenemisega; poorne vahtmetall suurendab ilmselgelt vedeliku voolutakistust, kuid Reynoldsi arvu suurenemisega takistuse suurenemise mitmekordistumine väheneb. Näha on konvektiivse soojusülekande terviklik tugevdamine ja rõhulanguse suurenemine voolus kahes aspektis,poorne vahtmetallsobib paremini väiksema voolukiirusega vedelikule. Vahtmetallil on õhupoolne tõhustatud soojusülekanne, kuid samal ajal suureneb soojusülekande jõudlus, suurenes ka takistus ja üldine jõudlus on halvem kui traditsioonilistel uimedel. Uuringud näitavad, et vahtmetall sobib vähese vooluga harvadel juhtudel. Seetõttu peab vahtmetallist õhupoolne tõhustatud soojusülekanne arvestama rakendusjuhtumeid ja ei saa pimesi läbi viia traditsioonilisi uimede soojuse hajumise alternatiivseid uuringuid.

Metallvaht võib mängida rolli ka külmutusagensi soojusülekande suurendamisel faasimuutuse kaudu. Tulemused näitavad, et kui poorsus on kindel, kahekordistub soojusülekande jõudlus, kuna pooride tihedus väheneb 20-lt 40 PPI-le ja pooride suurus väheneb, kuna raku struktuur on suurem, pindala on suurem ja häiritud on intensiivsem. Suurte voolukiiruste korral säilitab keemistemperatuuri soojusülekandetegur ühtlase ja aeglase tõusu koos kuivuse suurenemisega. Töörõhu järkjärgulise suurenemise korral on madalal kuivusel keev soojusülekande nähtus sarnane jahvatatud keemisega, st soojusülekanne intensiivistub rõhu tõusuga, kuid rõhu tõus teatud määral mängib keemises halvendavat rolli. soojusülekanne. Vaskvahttorude soojusülekandetegur on umbes kolm korda kõrgem kui valgustorudel. Puhta külmutusagensi puhul suurendab vahtmetalli olemasolu keeva soojusülekande voolu ja soojusülekande koefitsient suureneb kuni 185%. Õli sisaldavate tingimuste korral metallivahu soojusülekannet tugevdav toime nõrgeneb; samadel tingimustel, võrreldes 5PPI vahtmetalliga, võib 10PPI vahtmetall suurendada soojusülekandetegurit kuni 0,6 korda ja väiksem pooride suurus võib parandada voolu keeva soojusülekande koefitsienti.
Põhjalikult analüüsiti massivoolukiiruse ja kahefaasilise vedeliku kuivuse mõju voolu kondensatsiooni rõhu langusele ja soojusülekandetegurile. Tulemused näitavad, et siseseinaga täidetud rõngakujulise metallvahttoru rõhulang on palju suurem kui valgustorul ning rõhulang suureneb kiiresti ja mittelineaarselt koos massivoolukiiruse ja kuivuse suurenemisega. Siseseinaga täidetud rõngakujulise metallvahttoru kondensatsiooni soojusülekandetegur on suurem kui valgustorul ning soojusülekandetegur suureneb koos massivoolukiiruse ja kuivuse suurenemisega ning seda tüüpi voolu kondensatsiooni soojusülekandetegur tugevdatud torudest on umbes kaks korda rohkem kui valgustoru. Kuna selle kapillaarefekt on ilmne, on 130PPI tugevdatud toru pooride tihedus parim efekt, valgustoru puhul on 40PPI toru 3,06 korda sarnane tugevdava vahendina peamiselt madala soonikuga toru struktuuriga.
Kompaktses soojusvahetismetallvahtsaab täielikult ära kasutada soojusülekande rolli tugevdamiseks, kuid uuring näitas, et vahtmetalli kasvu takistusomadused on samuti väga olulised, vajadus tervikliku jõudluse järele, et hinnata vahtmetalli kasutamist kompaktses soojusvahetis. Lisaks võivad vahtmetallid õli sisaldavate määrdeainete juuresolekul põhjustada soojusülekande halvenemist ning määrdeainete mõju silmas pidades tuleb arvestada külmutusagensi faasimuutuse soojusülekandega metallivahtude tõhustatud soojusülekandega.