Tính chất truyền nhiệt của bọt kim loại ô mở

Bọt kim loại là một loại vật liệu kim loại tổng hợp đa chức năng có chứa một số lượng nhất định, một kích thước nhất định của các lỗ rỗng và một độ xốp nhất định trong ma trận kim loại. Kim loại bọt có các đặc điểm cấu trúc độc đáo như diện tích bề mặt riêng lớn, độ xốp lớn và mật độ nhỏ, và có các đặc điểm tổng hợp đa chức năng như tản nhiệt (ô mở), cách nhiệt (ô kín), hấp thụ âm thanh và giảm chấn động, nhẹ, cường độ riêng cao, che chắn điện từ, v.v., và nó là một loại vật liệu cấu trúc và chức năng tích hợp các tính chất của nhiệt động họcSics, cơ học, âm học và điện.
Vìbọt kim loại ô mở, độ xốp cao và cấu trúc lưới ba chiều phức tạp làm cho nó có khả năng tản nhiệt rất tốt và hiệu suất truyền nhiệt cao, có triển vọng ứng dụng rất rộng trong lĩnh vực bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn, làm mát thiết bị vi điện tử, v.v. Đối với các tính chất truyền nhiệt của kim loại bọt ô mở, tình trạng nghiên cứu của nó được nghiên cứu và phân tích từ các lĩnh vực ứng dụng của bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn.
Bọt kim loạicho bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn
Các tính chất truyền nhiệt được tăng cường của bọt kim loại đã được công nhận rộng rãi. Khi khí hoặc chất lỏng chảy qua các lỗ, nhiệt được truyền và trao đổi dưới dạng đối lưu cưỡng bức giữa bọt kim loại có cấu trúc ô mở và chất lỏng. Một mặt, cấu trúc lưới ba chiều phức tạp của bọt kim loại tạo ra hiệu ứng phi tuyến tính của chất lỏng và mức độ nhiễu loạn cũng được tăng cường, do đó thúc đẩy bề mặt rắn đến chất lỏng trong quá trình truyền nhiệt cục bộ cao; mặt khác, diện tích bề mặt riêng lớn của kim loại bọt cũng là một lý do quan trọng khiến kim loại có hiệu suất truyền nhiệt tốt. Hiện nay, nghiên cứu về bọt kim loại cho hiệu suất truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn chủ yếu tập trung vào truyền nhiệt được tăng cường về phía không khí và truyền nhiệt được tăng cường về phía chất làm lạnh.
Đối với các đặc tính truyền nhiệt tăng cường về phía không khí của bọt kim loại, bọt kim loại được sử dụng thay cho các cánh tản nhiệt trong các ứng dụng sử dụng cánh tản nhiệt truyền thống, chẳng hạn như làm mát các linh kiện điện tử, bộ trao đổi nhiệt dạng tấm và bộ trao đổi nhiệt có cánh tản nhiệt. Trong các bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn, các đặc tính truyền nhiệt dòng chảy hiện đang được nghiên cứu chủ yếu đối với kim loại bọt đồng và nhôm có mật độ lỗ rỗng thường nhỏ hơn 40% và độ xốp từ 70% trở lên.
Ở một kích thước lỗ rỗng nhất định, tốc độ truyền nhiệt tăng theo độ xốp tăng và chiếm ưu thế. Mặt khác, đối với một độ xốp nhất định, mật độ lỗ rỗng càng cao thì hiệu suất truyền nhiệt càng thấp, có thể là do kích thước lỗ rỗng quá lớn. Các thông số cấu trúc lỗ rỗng về độ xốp, mật độ lỗ rỗng và đường kính lỗ rỗng là những yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất truyền nhiệt củabọt kim loại. Đối với ứng dụng bọt kim loại trong làm mát linh kiện điện tử, tác động của độ xốp và đường kính lỗ xốp kim loại đến hiệu ứng tản nhiệt đã được nghiên cứu bằng các thí nghiệm trực giao. Kết quả cho thấy trong điều kiện đối lưu cưỡng bức, hiệu suất tản nhiệt của bọt kim loại liên quan đến cấu trúc lỗ xốp, trong đó kích thước lỗ xốp có ảnh hưởng lớn nhất.
Một số kết quả nghiên cứu cho thấy mặc dù kim loại bọt có vai trò mạnh mẽ trong việc tăng cường truyền nhiệt, nhưng sự gia tăng của sức cản không phải là không đáng kể cùng với sự gia tăng của hiệu suất trao đổi nhiệt. Hiệu suất truyền nhiệt của kim loại bọt được cải thiện đáng kể ở mức tổn thất áp suất nhỏ hơn và tổn thất áp suất tăng theo sự gia tăng của mật độ lỗ rỗng. Kết quả của nghiên cứu này có tính hướng dẫn cho việc thiết kế và chế tạo các bộ trao đổi nhiệt hiệu suất cao, nhẹ và nhỏ gọn. Một nghiên cứu thực nghiệm về bộ trao đổi nhiệt kim loại bọt và bộ trao đổi nhiệt có cánh tản nhiệt có cùng kích thước đã được thực hiện và thấy rằng trong cùng điều kiện thử nghiệm, bộ trao đổi nhiệt kim loại bọt kém hiệu quả hơn bộ trao đổi nhiệt có cánh tản nhiệt và tổn thất áp suất và hệ số ma sát cao hơn bộ trao đổi nhiệt có cánh tản nhiệt. Kim loại bọt xốp có tác dụng tăng cường rõ ràng đối với truyền nhiệt đối lưu và tác dụng tăng cường giảm khi số Reynolds tăng; kim loại bọt xốp làm cho sức cản dòng chảy của chất lỏng tăng rõ ràng, nhưng sự nhân lên của sức cản giảm khi số Reynolds tăng. Có thể thấy sự tăng cường toàn diện của truyền nhiệt đối lưu và sự gia tăng giảm áp suất trong dòng chảy của hai khía cạnh,kim loại xốp xốpphù hợp hơn với lưu chất có lưu lượng nhỏ hơn. Kim loại bọt có vai trò truyền nhiệt tăng cường về phía không khí, nhưng đồng thời tăng cường hiệu suất truyền nhiệt, điện trở cũng tăng lên và hiệu suất tổng thể kém hơn so với các cánh tản nhiệt truyền thống. Nghiên cứu cho thấy kim loại bọt phù hợp với lưu lượng thấp trong những trường hợp hiếm hoi. Do đó, cần xem xét các trường hợp ứng dụng truyền nhiệt tăng cường về phía không khí của kim loại bọt và không thể tiến hành nghiên cứu thay thế tản nhiệt bằng cánh tản nhiệt truyền thống một cách mù quáng.

Bọt kim loại cũng có thể đóng vai trò tăng cường truyền nhiệt của chất làm lạnh bằng cách thay đổi pha. Kết quả cho thấy khi độ xốp chắc chắn, hiệu suất truyền nhiệt tăng gấp đôi khi mật độ lỗ rỗng giảm từ 20 đến 40 PPI và kích thước lỗ rỗng giảm, do cấu trúc ô mịn hơn với diện tích bề mặt lớn hơn và nhiễu loạn mạnh hơn. Ở lưu lượng cao, hệ số truyền nhiệt sôi duy trì mức tăng ổn định và chậm khi độ khô tăng. Khi áp suất vận hành tăng dần, hiện tượng truyền nhiệt sôi ở độ khô thấp tương tự như sôi ở mặt đất, tức là truyền nhiệt được tăng cường khi áp suất tăng, nhưng áp suất tăng đến một mức độ nhất định sẽ đóng vai trò làm suy yếu trong truyền nhiệt sôi. Hệ số truyền nhiệt của ống bọt đồng cao hơn khoảng ba lần so với ống nhẹ. Trong trường hợp chất làm lạnh nguyên chất, sự hiện diện của kim loại bọt làm tăng lưu lượng truyền nhiệt sôi và hệ số truyền nhiệt tăng lên tới 185%. Trong trường hợp điều kiện chứa dầu, tác dụng tăng cường truyền nhiệt của bọt kim loại bị suy yếu; trong cùng điều kiện, so với kim loại bọt 5PPI, kim loại bọt 10PPI có thể tăng hệ số truyền nhiệt lên đến 0,6 lần và kích thước lỗ rỗng nhỏ hơn có thể cải thiện hệ số truyền nhiệt sôi dòng chảy.
Tác động của lưu lượng khối và độ khô của chất lỏng hai pha lên độ giảm áp suất ngưng tụ dòng chảy và hệ số truyền nhiệt đã được phân tích toàn diện. Kết quả cho thấy độ giảm áp suất của ống bọt kim loại hình khuyên chứa đầy thành trong lớn hơn nhiều so với ống đèn và độ giảm áp suất tăng nhanh và phi tuyến tính khi lưu lượng khối lượng và độ khô tăng. Hệ số truyền nhiệt ngưng tụ của ống bọt kim loại hình khuyên chứa đầy thành trong lớn hơn ống đèn và hệ số truyền nhiệt tăng khi lưu lượng khối lượng và độ khô tăng, hệ số truyền nhiệt ngưng tụ dòng chảy của loại ống gia cố này gấp khoảng hai lần so với ống đèn. Do hiệu ứng mao dẫn của nó là rõ ràng nên mật độ lỗ rỗng của ống gia cố 130PPI là hiệu ứng tốt nhất, đối với ống đèn gấp 3,06 lần, ống 40PPI chủ yếu giống với cấu trúc của ống có gân thấp như một phương tiện gia cố.
Trong bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn,bọt kim loạicó thể được tận dụng hoàn toàn để tăng cường vai trò truyền nhiệt, nhưng nghiên cứu cho thấy đặc tính kháng của sự phát triển kim loại bọt cũng rất đáng kể, cần phải có hiệu suất toàn diện để đánh giá ứng dụng của kim loại bọt trong bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn. Ngoài ra, khi có chất bôi trơn chứa dầu, kim loại bọt có thể dẫn đến sự suy giảm khả năng truyền nhiệt và việc tăng cường truyền nhiệt của bọt kim loại để truyền nhiệt thay đổi pha của chất làm lạnh cần được xem xét theo tác động của chất bôi trơn.