濕空氣在泡沫金屬內(nèi)析濕過程的換熱與壓降特性影響因素分析

翁曉敏，胡海濤，莊大偉，丁國良，許旭東，楊懷毅

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

引 言

泡沫金屬是一種高孔隙率（最高可達(dá)98%）的多孔材料，由于具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)（圖1）、較大的比表面積以及金屬材料的高熱導(dǎo)率等特點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于建筑板、吸聲材料、換熱器等。

圖1 不同孔密度的泡沫金屬照片F(xiàn)ig.1 Photo of metal foam

已有對(duì)泡沫金屬傳熱的研究主要集中在導(dǎo)熱性能、單相流體在泡沫金屬換熱器內(nèi)的換熱和壓降特性[2-10]，以及泡沫金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)池沸騰和流動(dòng)沸騰換熱及壓降特性的影響[11-14]。泡沫金屬應(yīng)用于 換熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的翅片，可以強(qiáng)化空氣側(cè)的換熱，提高換熱器的性能[15-22]。對(duì)于干空氣在泡沫金屬內(nèi)流動(dòng)過程的換熱特性，泡沫金屬的強(qiáng)化傳熱效果明顯優(yōu)于翅片[15-18]；槽道內(nèi)填充泡沫金屬時(shí)的傳熱效率能提高10～12 倍[19-20]，泡沫金屬換熱器的換熱系數(shù)最高為翅片管換熱器的3～4 倍[21-22]。實(shí)際應(yīng)用中換熱器大多處于濕工況下，但是到目前為止尚未見關(guān)于在析濕工況下空氣在泡沫金屬內(nèi)流動(dòng)換熱與壓降特性的研究報(bào)道。

泡沫金屬用于析濕工況時(shí)，由于泡沫金屬纖維彎曲、傾斜且相互連接，析濕產(chǎn)生的凝結(jié)水附著在泡沫金屬纖維上，會(huì)出現(xiàn)凝結(jié)液滴在泡沫金屬內(nèi)累積的現(xiàn)象，從而影響換熱器的換熱和壓降。因此，為了對(duì)泡沫金屬換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要對(duì)濕空氣在泡沫金屬內(nèi)流動(dòng)析濕過程的換熱與壓降特性進(jìn)行研究。

本工作的目的是通過實(shí)驗(yàn)研究得出濕空氣在泡沫金屬內(nèi)流動(dòng)析濕過程中換熱與壓降特性的變化規(guī)律，分析不同影響因素對(duì)傳熱與壓降特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)試對(duì)象

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及樣件

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括空氣側(cè)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和測(cè)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖2所示。測(cè)試對(duì)象是孔隙率為85%，孔密度分別為5PPI（numbers of pores per inch）、10PPI、15PPI 的泡沫銅，樣件是通過銅基焊料在真空高溫爐內(nèi)與銅板焊接而成。測(cè)試樣件如圖3所示，具體參數(shù)見表1。

圖2 系統(tǒng)裝置Fig.2 Schematic diagram of experimental setup

圖3 泡沫金屬測(cè)試樣件示意圖Fig.3 Schematic diagram of test sample

表1 泡沫金屬試樣參數(shù)Table 1 Parameters of test sample

實(shí)驗(yàn)過程中，空壓機(jī)1 出來的空氣（壓力為0.2～0.3 MPa）與加熱水箱4 產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入混合箱2，通過流量調(diào)節(jié)閥門18 調(diào)節(jié)進(jìn)入混合箱內(nèi)的空氣和蒸汽的量，使之達(dá)到所需的空氣溫度、濕度以 及空氣流量?？諝馀c加熱水箱產(chǎn)生的蒸汽的比例以進(jìn)口濕空氣的含濕量和相對(duì)濕度確定，本研究實(shí)驗(yàn)工況涵蓋的含濕量范圍為0.01～0.025 kg·kg-1（干），相對(duì)濕度范圍為50%～90%。從恒溫水箱17 流出的冷卻水通過微型水泵15 輸送到泡沫金屬的銅板一側(cè)以冷卻銅板，銅板將冷量傳遞給泡沫金屬，從而使?jié)窨諝庠谂菽饘賰?nèi)流動(dòng)過程中出現(xiàn)析濕現(xiàn)象。通過溫濕度傳感器11、氣體流量計(jì)8、壓差傳感器13、熱電偶14 對(duì)測(cè)件的進(jìn)出口溫度/濕度、空氣流量、樣件前后的壓差、進(jìn)出口水溫進(jìn)行測(cè)量，并通過數(shù)據(jù)采集儀對(duì)各參數(shù)進(jìn)行記錄和數(shù)據(jù)輸出。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備中的測(cè)試段12（可視化窗口）和連接法蘭19 之間的管道是用有機(jī)玻璃制備的，其余部分采用不銹鋼材質(zhì)進(jìn)行加工。除了可視化窗口之外，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置均用保溫材料進(jìn)行保溫，漏熱分析表明漏熱量可以忽略不計(jì)。

根據(jù)空調(diào)器在實(shí)際運(yùn)行中的環(huán)境條件，本研究的實(shí)驗(yàn)工況包括：進(jìn)口空氣流速為0.5～2 m·s-1，進(jìn)口濕空氣溫度為27～32℃，進(jìn)口空氣相對(duì)濕度為50%～90%，冷卻水溫度為6～18℃，樣件的孔密度為5～15PPI，樣件的側(cè)面迎風(fēng)高度為50～90 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)誤差分析

在實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)誤差的存在是不可避免的。本小節(jié)對(duì)測(cè)量的直接參數(shù)和間接參數(shù)進(jìn)行誤差分析。

實(shí)驗(yàn)裝置中需要直接測(cè)量的參數(shù)誤差以及所用設(shè)備的型號(hào)和量程見表2。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)直接測(cè)量參數(shù)的誤差可以算出實(shí)驗(yàn)的間接測(cè)量的誤差。由Moffat[23]方法分析得到實(shí)驗(yàn)臺(tái)的誤差，換熱量的誤差為±17.9%，壓差的誤差為±3%。

2 數(shù)據(jù)處理方法

濕空氣在泡沫金屬內(nèi)的流動(dòng)特性包括換熱和壓降兩部分。其中壓降通過樣件兩側(cè)連接的壓差傳感器直接測(cè)得。換熱需要通過測(cè)量進(jìn)出口的溫度、濕度、壓力等參數(shù)進(jìn)行求解。

換熱器的換熱量在數(shù)據(jù)處理中取空氣側(cè)換熱量Qa與冷卻水側(cè)換熱量Qw的平均值

根據(jù)ASHRAE33-78[24]的要求，有效數(shù)據(jù)必須滿足

空氣側(cè)換熱量包括濕空氣的顯熱換熱Qa1和濕空氣的潛熱換熱Qa2兩部分，如式(2)所示。

式中，ma1、ma2和γ分別表示只發(fā)生顯熱換熱的濕空氣質(zhì)量流量、只發(fā)生潛熱換熱的蒸汽質(zhì)量流量和水的汽化潛熱，ia1,in、ia1,out分別指進(jìn)口和出口只發(fā)生顯熱換熱的空氣的焓值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 空氣相對(duì)濕度對(duì)泡沫金屬內(nèi)濕空氣換熱與壓降特性的影響

圖4給出了入口空氣相對(duì)濕度對(duì)泡沫金屬內(nèi)濕空氣換熱與壓降特性影響的變化規(guī)律。由圖可知，隨著相對(duì)濕度的增加，潛熱換熱量增加，顯熱換熱量逐漸減小。這是因?yàn)?，在相同的冷卻水溫度下，相對(duì)濕度越大，析濕量越大，從而使?jié)摕釗Q熱增大；而凝結(jié)水在泡沫金屬纖維表面聚集，對(duì)顯熱換熱有一定的抑制作用，因此顯熱換熱逐漸減小。顯熱換熱量與潛熱換熱量的疊加，使總換熱量隨入口相對(duì)濕度升高逐漸增大。當(dāng)相對(duì)濕度由50%增大到90%時(shí)，總換熱量最大增加了67%，而且增加程度隨冷卻水溫度升高而降低。

隨著入口空氣相對(duì)濕度的增加，凝結(jié)液滴增多，使壓降增大；當(dāng)相對(duì)濕度由50%增大到90%時(shí)，壓降最大增加了62%。綜合圖4的換熱和壓降，總換熱量隨濕度的增加近似線性增加；壓降在相對(duì)濕度為70%～80%時(shí)急劇增大，而當(dāng)濕度為90%時(shí)，由于凝結(jié)水逐漸趨于飽和，壓降增大的速率變緩。因此，綜合考慮換熱和壓降特性，在相對(duì)濕度為70%時(shí)的換熱和壓降特性最佳。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器測(cè)量誤差Table 2 Uncertainties of direct measurements

圖4 入口相對(duì)濕度對(duì)泡沫金屬內(nèi)換熱與壓降特性的影響Fig.4 Effect of air inlet relative humidity on heat transfer and pressure drop in metal foam

3.2 空氣溫度對(duì)泡沫金屬內(nèi)濕空氣換熱與壓降特性的影響

圖5給出了入口空氣溫度對(duì)泡沫金屬內(nèi)濕空氣換熱與壓降特性影響的變化規(guī)律。從圖5(a)可以看出，隨著入口空氣溫度的升高，潛熱換熱量增大，顯熱換熱量緩慢增加，總換熱量近似線性增加。這是由于，在相同的相對(duì)濕度下，隨著入口溫度的升高，進(jìn)口空氣含濕量增加，因而在相同溫度的水的冷卻下產(chǎn)生的凝結(jié)水增多，從而使?jié)摕釗Q熱量逐漸增大；隨著入口溫度的升高，顯熱換熱略有上升。隨著入口溫度的升高，凝結(jié)水增多，使阻力增大，導(dǎo)致壓降略有增加，當(dāng)入口濕空氣溫度從25℃升高到35℃時(shí)，壓降僅增大1.3 Pa [圖5(b)]。

圖5 入口空氣溫度對(duì)泡沫金屬內(nèi)換熱與壓降特性的影響Fig.5 Effect of air inlet temperature on heat transfer and pressure drop in metal foam

3.3 空氣速度對(duì)泡沫金屬內(nèi)濕空氣換熱與壓降特性的影響

圖6給出了空氣速度對(duì)泡沫金屬內(nèi)濕空氣總換熱與壓降特性的影響規(guī)律。由圖6(a)可知，隨著空氣速度的增大，潛熱換熱量和顯熱換熱量均增大；顯熱換熱量比潛熱換熱量大，而且增長(zhǎng)速率快。這是由于，隨著濕空氣的速度增大，換熱器與空氣的對(duì)流換熱增強(qiáng)，使顯熱換熱和潛熱換熱均增強(qiáng)，而且對(duì)顯熱的影響更大。但是，流速越大，壓降越大[圖6(b)]。

3.4 冷卻水溫度對(duì)泡沫金屬內(nèi)濕空氣換熱與壓降特性的影響

圖6 入口空氣速度對(duì)泡沫金屬內(nèi)換熱與壓降特性的影響Fig.6 Effect of air inlet velocity on heat transfer and pressure drop in metal foam

圖7給出了冷卻水溫度對(duì)泡沫金屬內(nèi)濕空氣換 熱與壓降特性的影響規(guī)律。冷卻水溫度越高，潛熱換熱量和顯熱換熱量越小，而且潛熱換熱量降低幅度更大。對(duì)于不同的濕度，冷卻水溫對(duì)壓降的影響各異。冷卻水溫由12℃降低到6℃時(shí)，壓降顯著上升，而且濕度越大壓降增大的幅度越大。而冷卻水溫從18℃下降到12℃時(shí)，壓降增大的幅度較小。

3.5 不同孔密度對(duì)泡沫金屬內(nèi)濕空氣換熱與壓降特性的影響

圖7 冷卻水溫度對(duì)泡沫金屬內(nèi)換熱與壓降特性的影響Fig.7 Effect of cooling water temperature on heat transfer and pressure drop in metal foam

圖8給出了不同孔密度對(duì)泡沫金屬內(nèi)濕空氣換熱與壓降特性的影響規(guī)律。從圖8(a)可知，隨著孔密度的增大，總換熱量先下降后上升，即孔密度為5PPI 時(shí)總換熱量最大，15PPI 次之，10PPI 最小。這是因?yàn)?，?duì)于顯熱換熱，一方面孔密度越小孔直徑 越大，在孔隙率一定時(shí)金屬纖維越粗，使熱導(dǎo)率 越大[24]。另一方面金屬絲越粗產(chǎn)生的湍流動(dòng)能越 大[25-26]，顯熱換熱量越大，而且在析濕工況下孔直徑越大越有利于冷凝水的排出，使?jié)摕釗Q熱較大，所以5PPI 的總換熱量最好。相比于10PPI，15PPI的泡沫銅具有更大的比表面積，從而具有較大的顯熱換熱量，在析濕工況下10PPI 和15PPI 的泡沫銅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，均不利于凝結(jié)水的排出，潛熱換熱量相當(dāng)，因此總換熱量取決于顯熱換熱。因此，結(jié)合潛熱換熱和顯然換熱各自的變化，總換熱量會(huì)隨孔密度的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

隨著相對(duì)濕度的增加，潛熱換熱量逐漸增大，但是顯熱換熱量逐漸減小，總換熱量先減小后增大，在相對(duì)濕度為60%左右時(shí)總換熱量最小。

由圖8(b)可知，孔密度的增大導(dǎo)致流動(dòng)阻力增大，從而使得壓降變大。

圖8 孔密度對(duì)泡沫金屬內(nèi)濕空氣換熱與壓降特性的影響Fig.8 Effect of PPI on heat transfer and pressure drop in metal foam

3.6 不同迎風(fēng)高度對(duì)泡沫金屬內(nèi)濕空氣換熱與壓降特性的影響

圖9給出了泡沫金屬迎風(fēng)高度對(duì)濕空氣換熱和壓降的影響。從圖9(a)看出，高度越大，換熱效果越好；隨著濕度的增加，高度為90 mm 的泡沫金屬換熱量遠(yuǎn)大于高度為70 mm 和50 mm 的泡沫金屬換熱量。這是由于，在長(zhǎng)度和厚度相同的情況下，高度越高，換熱面積越大，從而有利于增大總換熱量。而且，隨著濕度的增大，換熱面積大的泡沫金屬產(chǎn)生的凝結(jié)水更多，從而增大了潛熱換熱。但高度越大，空氣流過泡沫金屬表面的阻力也越大，從而導(dǎo)致壓降增大[圖9(b)]。

4 結(jié) 論

（1）隨著入口空氣相對(duì)濕度的增大，潛熱換熱量增大，顯熱換熱量逐漸減小，顯熱換熱與潛熱換熱的疊加使總換熱量逐漸增大；而由于凝結(jié)液滴在泡沫金屬表面不斷積聚，導(dǎo)致壓降不斷增大。當(dāng) 空氣相對(duì)濕度由50%增大到90%時(shí)，總換熱量最多增大了67%，壓降最多增大了62%。

圖9 高度對(duì)泡沫金屬內(nèi)換熱與壓降特性的影響Fig.9 Effect of size of test sample on heat transfer and pressure drop in metal foam

（2）隨著入口空氣溫度的升高，潛熱換熱量增大，顯熱換熱量緩慢上升，使總換熱量呈逐漸增大的趨勢(shì)。當(dāng)溫度由25℃上升到35℃時(shí)，換熱量增長(zhǎng)了82%。壓降隨進(jìn)口濕空氣溫度上升而略有增大，溫度從25℃上升到35℃，壓降僅上升了1.3 Pa。

（3）隨著入口空氣速度的增大，潛熱換熱量和顯熱換熱量均上升，總換熱量增大。壓降隨流速增大而增大。

（4）隨著冷卻水溫度的升高，潛熱換熱量和顯熱換熱量均減小，而且潛熱換熱量降低幅度更大。潛熱換熱量的降低表明泡沫金屬纖維表面附著的凝結(jié)液滴量減少，從而降低了流動(dòng)壓降。

（5）隨著孔密度的增大，泡沫金屬的總換熱量先減小后增大，即5PPI 的換熱性能最好，15PPI次之，10PPI 最差；壓降隨孔密度增大而增大。

（6）隨著泡沫金屬的迎風(fēng)高度的增大，總的換熱性能變好，壓降增大。

符 號(hào) 說 明

H——高度，mm

i——焓，kJ·kg-1

L——長(zhǎng)度，mm

m——質(zhì)量流量，kg·s-1

Q——換熱量，W

S——厚度，mm

T——溫度，℃

γ——水的汽化潛熱，kJ·K-1

下角標(biāo)

a——空氣（氣相）

a1——顯熱換熱部分

a2——潛熱換熱部分

c-water——冷卻水

in——入口

m-air——濕空氣

out——出口

w——水（液相）

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