析濕工況下泡沫金屬內濕空氣傳熱傳質特性的實驗研究

許旭東，胡海濤，楊懷毅，翁曉敏，莊大偉，丁國良

（上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

析濕工況下泡沫金屬內濕空氣傳熱傳質特性的實驗研究

許旭東，胡海濤*，楊懷毅，翁曉敏，莊大偉，丁國良

（上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

實驗研究了濕空氣在泡沫金屬內流動析濕過程的傳熱傳質特性，得出了不同因素的影響規律。研究結果表明，隨著入口空氣相對濕度、溫度和速度的增加，總換熱量增加，且空氣溫度的影響比較明顯；當入口空氣溫度由25 ℃增大到35 ℃時，換熱量最大可增加82%；隨著冷卻水溫度升高，潛熱和顯熱換熱量均減小，且潛熱換熱量降低幅度更大。與同體積的開窗翅片管式換熱器相比，析濕工況下泡沫金屬換熱器內的濕空氣換熱量提高40%～112%。1

泡沫金屬；濕空氣；析濕；換熱；壓降

0 引言

泡沫金屬是一種高孔隙率的多孔介質（圖1），具有高熱導率、復雜擾流空間結構等優點，將其嵌入流道內，可以提高單相流體的換熱性能[1-4]。將泡沫金屬應用于換熱器代替傳統的翅片，可以強化空氣側的換熱特性、提高換熱器性能[5]。但泡沫金屬用于析濕工況時，由于泡沫金屬纖維彎曲、傾斜且相互連接，析濕產生的凝結水附著在泡沫金屬纖維上，會出現凝結液滴在泡沫金屬內累積的現象[6]，從而影響換熱器的換熱和壓降。因此，為了對泡沫金屬換熱器進行優化設計，需要研究濕空氣在泡沫金屬內流動析濕過程的換熱與壓降特性。

圖1 泡沫金屬照片

已有文獻研究了干空氣在泡沫金屬內流動過程的換熱特性，研究結果表明泡沫金屬的強化傳熱效果明顯優于翅片[7-10]，泡沫金屬換熱器的換熱系數最高為翅片管換熱器的（3～4）倍[5,11-12]。目前尚無關于析濕工況下泡沫金屬內空氣流動換熱與壓降特性的研究報道，本文將針對析濕工況下泡沫金屬內濕空氣傳熱傳質特性開展研究。

1 實驗裝置與測試對象

實驗系統包括空氣側系統、冷卻水系統和測量數據采集系統。泡沫金屬換熱器空氣側特性研究實驗系統的原理如圖1所示。測試對象為泡沫銅樣件，其孔密度為15 PPI，孔隙率為85%，通過銅基焊料在真空高溫爐內與銅板焊接，如圖2所示。實驗過程中，空壓機出來的具有一定壓力的空氣和加熱水箱中產生的蒸汽通過調節閥門，在混合腔內混合，保證在測試段入口處達到所需的空氣溫度、濕度以及空氣流量。從恒溫水箱流出的冷卻水，通過微型水泵被輸送到泡沫金屬的銅板一側，以冷卻銅板；銅板將冷量傳遞給泡沫金屬，從而使濕空氣在泡沫金屬內流動過程中出現析濕現象。通過溫濕度傳感器、流量計、壓差計和熱電偶，對測件進出口的溫度/濕度、空氣流量、樣件前后的壓差和進出口水溫進行測量，并通過數據采集儀對各參數進行記錄和數據輸出。

本實驗所采用的測量儀器測量精度如表 1所示，由MOFFAT[13]方法分析得到實驗臺的誤差，換熱量的誤差小于±14.1%。

圖1 系統原理圖

圖2 泡沫銅測試樣件示意圖

表1 實驗儀器誤差分析表

2 濕空氣速度、溫度及相對濕度對泡沫金屬內傳熱傳質特性的影響分析

圖3給出了入口空氣相對濕度對泡沫金屬內濕空氣換熱特性影響的變化規律。從圖中可以看出，隨著相對濕度的增加，顯熱換熱逐漸減小。這是由于濕度小于一定值時，析濕量小，凝結的水少，對顯熱換熱的影響不大。入口相對濕度在 60%左右時，凝結水在泡沫金屬纖維表面聚集，對顯熱換熱有一定的抑制作用，但是此時潛熱換熱量急劇增大；當入口相對濕度大于75%時，潛熱換熱高于顯熱換熱。顯熱與潛熱換熱量的疊加，導致總換熱量隨著入口相對濕度的升高逐漸增大，且增長的速度逐漸減小。結果表明，隨著入口相對濕度的增大，盡管有凝結液滴在泡沫金屬表面積聚，總換熱量仍然逐漸增加。

圖4給出了入口空氣溫度對泡沫金屬內濕空氣換熱特性影響的變化規律。從圖中可以看出，隨著入口空氣溫度的增加，潛熱換熱量增大，顯熱換熱量略微增大，總換熱量逐漸增加。這是由于隨著入口溫度的增加，潛熱換熱量逐漸增大，此時泡沫金屬纖維表面附著凝結液滴，增加了泡沫金屬與空氣的接觸熱阻，從而導致顯熱換熱量的增長幅度減小。當溫度從25 ℃上升到35 ℃時，總換熱量增長了82%。

圖3 入口相對濕度對泡沫金屬內換熱特性的影響

圖4 入口空氣溫度對泡沫金屬內換熱特性的影響

圖5給出了相對濕度為70%時，空氣速度對泡沫金屬內濕空氣換熱與壓降特性的影響規律。由圖可知，隨著空氣速度的增大，對流換熱的強度增加，盡管潛熱量基本保持不變，但對于顯熱換熱量和總換熱量，它們隨空氣速度的增大而增加，這是由于雷諾數的增加使得對流換熱系數增大。

圖5 入口空氣速度對泡沫金屬內換熱特性的影響

3 冷卻水溫度對泡沫金屬內濕空氣換熱特性的影響分析

圖6給出了入口冷卻水溫度對泡沫金屬內濕空氣換熱特性的影響規律。由圖可知，隨著冷卻水溫度升高，潛熱和顯熱換熱量均減小，且潛熱換熱量降低幅度更大，總換熱量也呈現下降趨勢。

圖6 冷卻水溫度對泡沫金屬內換熱特性的影響

4 析濕工況下泡沫金屬與翅片管換熱器空氣側換熱特性的對比分析

圖7給出了濕空氣流過同體積的泡沫金屬與開窗翅片管換熱器時換熱性能的對比。由圖可知，與同體積的開窗翅片管式換熱器相比，泡沫金屬換熱器強化濕空氣換熱40%～112%，在相對濕度較大時換熱量增加更明顯。圖8給出了兩種換熱器內析濕量的對比。由圖可知，在相對濕度較大時泡沫金屬內析濕量明顯大于翅片；相對濕度 60%～80%時，泡沫金屬比翅片管換熱器析濕量增加175%以上。

圖7 泡沫金屬與開窗翅片管式換熱器的性能對比

圖8 泡沫金屬與開窗翅片管式換熱器的析濕量對比

5 結論

1) 隨著入口空氣相對濕度增加，顯熱換熱量逐漸減小，潛熱換熱量逐漸增大，總換熱量增大；隨著入口空氣溫度和流速的增加，潛熱換熱量、顯熱換熱量及總換熱量均增大，當溫度從 25 ℃上升到35 ℃時，總換熱量增長了82%。

2) 隨著冷卻水溫度升高，潛熱和顯熱換熱量均減小，且潛熱換熱量降低幅度更大。

3) 與同體積的開窗翅片管式換熱器相比，泡沫金屬換熱器內的濕空氣換熱量提高40%～112%。

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Experimental Investigation of Heat and Mass Transfer Characteristics of Moist Air in Metal Foam under Dehumidifying Conditions

XU Xu-dong,HU Hai-tao*,YANG Huai-yi,WENG Xiao-min,ZHUANG Da-wei,DING Guo-liang
(Institute of Refrigeration and Cryogenics,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

The heat transfer characteristics of moist air in metal foam during flow and dehumidification processes were investigated experimentally,and the influence principles of different factors were obtained.The results show that,the total heat transfer rate increases with the increasing inlet air relative humidity,temperature and velocity,and the influence of air temperature is more noticeable than that of the other factors;as the air temperature increases from 25 ℃ to 35 ℃,the total heat transfer increases by 82%;the latent and sensible heat transfer rates decrease with the increasing cooling water temperature,and the latent heat transfer has much greater deterioration.Compared to louvered fin and tube heat exchanger,metal foam heat exchanger with the same volume can enhance heat transfer capacity by 40%～112% under the dehumidifying conditions.

Metal foam;Moist air;Dehumidifying condition;Heat transfer;Pressure drop

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.102

*胡海濤（1978-），男，助理研究員，博士。研究方向：制冷系統內多相流動與強化傳熱。聯系地址：上海市閔行區東川路800號上海交通大學機動學院A樓435室，郵編：200240。聯系電話：021-34206295。E-mail：huhaitao2001@sjtu.edu.cn。基金項目：上海市自然科學基金（No.15ZR1422000）