多孔泡沫金屬強(qiáng)化池沸騰換熱的研究進(jìn)展

尹德蓉，張 楠

(鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001)

目前，隨著高科技領(lǐng)域的設(shè)備高度集成化，對(duì)熱管理技術(shù)提出了更高的要求，因此，迫切需要提高換熱器的換熱效率和整體的性能，設(shè)計(jì)出更加節(jié)能，節(jié)材且質(zhì)量輕的緊湊式換熱器。泡沫金屬是20世紀(jì)80年代后期隨著機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展和材料需求的多樣化而出現(xiàn)的新型材料，具有質(zhì)量輕，密度小，孔隙率高，比表面積大等的特點(diǎn)，在微電子散熱冷卻中有很大的潛力。

泡沫金屬按照孔的結(jié)構(gòu)可分為開孔和閉孔。閉孔主要應(yīng)用于航空、建筑等結(jié)構(gòu)的夾芯材料。開孔泡沫金屬板內(nèi)部是連通的，不是封閉的。在開孔泡沫金屬中，由于金屬骨架具有較高的導(dǎo)熱性能，泡沫金屬內(nèi)部又是互相連通的，這兩個(gè)特點(diǎn)使泡沫金屬具有較大的比表面積和較好的流通性能。在與流體換熱的過程中，增大了流體與金屬的換熱面積，且金屬良好的導(dǎo)熱性能使得溫度分布更均勻，起到強(qiáng)化換熱的效果，是一種優(yōu)良的新型的熱交換材料，特別是在沸騰換熱中有能起到很好地強(qiáng)化換熱的作用。針對(duì)泡沫金屬對(duì)沸騰換熱性能的影響，國內(nèi)外的學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了許多的研究。本文將主要綜述近些年來泡沫金屬對(duì)池沸騰換熱性能強(qiáng)化的研究進(jìn)展，并展望泡沫金屬在強(qiáng)化換熱的發(fā)展方向。

1 實(shí)驗(yàn)研究

泡沫金屬結(jié)構(gòu)的特殊性，它的特征參數(shù)孔徑D，孔隙率p，孔密度(PPI)及多孔泡沫厚度等均對(duì)沸騰換熱性能有一定的影響。國內(nèi)外不同的學(xué)者特征參數(shù)強(qiáng)化換熱性能做了研究，目前得到的共性的觀點(diǎn)是開孔泡沫金屬對(duì)沸騰換熱的影響效果是顯著的，泡沫金屬的結(jié)構(gòu)特征起主要作用。文中將對(duì)泡沫金屬在池沸騰實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行介紹。

綜合文獻(xiàn)中的強(qiáng)化效果，多孔泡沫可從以下六個(gè)方面強(qiáng)化沸騰換熱：(1)增加換熱面積；(2)增強(qiáng)汽化核心；(3)減小氣泡逃逸阻力；(4)增強(qiáng)液體補(bǔ)充能力；(5)沸騰起始點(diǎn)前移；(6)延遲沸騰危機(jī)點(diǎn)。

1.1 泡沫金屬強(qiáng)化池沸騰換熱性能實(shí)驗(yàn)研究

文獻(xiàn)[1]實(shí)驗(yàn)研究不同特征參數(shù)對(duì)沸騰換熱的影響。1)隨著泡沫金屬孔密度PPI值得增大，孔隙數(shù)目增多，孔徑減小，則相同的體積內(nèi)金屬骨架增多，換熱面積增大，汽化核心增多；同時(shí)由于金屬骨架密度增加，增加了氣泡逸出的阻力和液體補(bǔ)充的阻力。2)低熱流密度下，自然對(duì)流換熱占據(jù)主導(dǎo)地位，此時(shí)金屬表面帶泡沫金屬后換熱面積增大，換熱性能增強(qiáng)，但是泡沫金屬厚度對(duì)表面換熱能力影響不大。在高熱流密度下，隨著泡沫金屬厚度的增加，沸騰強(qiáng)化效果減弱，當(dāng)厚度較大時(shí)，可能起到減弱沸騰換熱的效果。3)在低熱流密度下，實(shí)驗(yàn)表面水平放置換熱性能優(yōu)于垂直放置時(shí)的換熱性能，在高熱流密度下恰好相反。當(dāng)自然對(duì)流換熱占據(jù)主導(dǎo)地位時(shí)，流體通過泡沫金屬向上運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)表面水平放置流體向上運(yùn)動(dòng)過程中與泡沫金屬充分接觸換熱，換熱性能提高。在高熱流密度下，實(shí)驗(yàn)表面垂直放置，在熱流和重力的共同作用下，氣泡能很快脫離，起到強(qiáng)化換熱的作用。

文獻(xiàn)[2]對(duì)低孔密度泡沫金屬的材質(zhì)和厚度對(duì)池沸騰傳熱性能的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。研究表明泡沫金屬的材質(zhì)和厚度對(duì)傳熱性能均有影響。1)由于銅的導(dǎo)熱系數(shù)高于鎳的，泡沫銅的傳熱性能優(yōu)于泡沫鎳的傳熱性能，但是隨著厚度的降低，銅的優(yōu)勢(shì)逐漸減小，這是因?yàn)樵谙嗤谋诿孢^熱度下，厚度越小，泡沫金屬骨架的過熱度就越大，銅泡沫由于導(dǎo)熱能力強(qiáng)而產(chǎn)生較多汽化核心的優(yōu)勢(shì)就越小。2)低孔密度下，隨著厚度的降低，銅泡沫金屬的沸騰換熱性能先減小后增強(qiáng)，這是由于隨著厚度的降低，氣泡逃逸阻力減小帶來的正作用力大于比表面積減小帶來的副作用。

文獻(xiàn)[3]通過焊接將不同孔密度的銅泡沫焊接在一起形成梯形孔密度泡沫金屬。相比于單層泡沫金屬，梯度孔密度泡沫金屬有強(qiáng)化沸騰換熱的能力，只是強(qiáng)化效果與泡沫厚度及孔隙率有關(guān)。

文獻(xiàn)[4]以制冷劑/油的混合物為工質(zhì)，對(duì)泡沫金屬加熱表面的池沸騰換熱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了潤滑油濃度和泡沫金屬結(jié)構(gòu)對(duì)池沸騰換熱特性的影響。實(shí)驗(yàn)以制冷劑R113和潤滑油VG68的混合物為工質(zhì)，對(duì)厚度為5mm，ppi/孔隙率分別為10/90%，10/95%和10/98%三種泡沫金屬表面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：泡沫金屬的存在極大提高了制冷劑/油混合物的池沸騰傳熱系數(shù)，最多提高1.6倍；潤滑油的存在惡化制冷劑在泡沫金屬加熱表面池沸騰的換熱特性，傳熱系數(shù)最多降低15%；相比平加熱面，潤滑油對(duì)泡沫金屬加熱表面池沸騰換熱惡化的程度低。

文獻(xiàn)[5]以水為工質(zhì)，在常溫，大氣壓力下對(duì)開孔泡沫銅表面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。觀察氣泡在開孔泡沫銅表面的生長特性及變化規(guī)律，并與水在光滑表面的沸騰現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，水在泡沫銅中沸騰時(shí)，飽和水在泡沫銅中的起始沸騰所需要的過熱度(3.5℃)明顯小于光管的(16℃)，表明泡沫銅的存在可以使水在很低的過熱度下產(chǎn)生沸騰；氣泡脫離直徑和脫離頻率隨熱通量的增加不斷增大，銅泡沫表面對(duì)沸騰傳熱有很好的強(qiáng)化效，這是由于隨著熱通量的增大，泡沫銅骨架溫度升高，傳遞給氣泡和水得到的熱量增多，使氣泡直徑和脫離頻率都增大。

文獻(xiàn)[6]可視化實(shí)驗(yàn)研究厚度為30mm的高孔隙率通孔泡沫的水平表面池沸騰換熱特性，重點(diǎn)研究氣泡生長規(guī)律，熱流密度與壁面過熱度之間的關(guān)系。1)由于泡沫金屬為30mm，厚度太厚，在沸騰起始點(diǎn)，孔隙內(nèi)產(chǎn)生的氣泡在上升及脫離過程中遇到的阻力較大，對(duì)氣泡的脫離起了限制作用，所以與光滑表面相比，削弱了池沸騰換熱能力。2)液體黏度隨著溫度的升高而減小，低熱流密度下，由于液體溫度低，黏度大，氣泡逃逸時(shí)遇到金屬骨架阻力較大，阻力仍占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致氣泡生長周期隨熱流密度的增大而增大；隨著熱流密度的增大，液體溫度升高，黏度減小，阻力減小，氣泡直徑增大，其所受浮力增大，浮力占主導(dǎo)地位，氣泡生長周期隨熱流密度的增大而減小。3)隨著熱流密度的增大，氣泡脫離直徑增大。隨著熱通量的增加，泡沫金屬骨架的溫度不斷升高，傳遞給氣泡的能量不斷增多，氣泡持續(xù)增大，在高熱流密度下，氣泡脫離頻率增加，減小了氣泡與金屬骨架接觸時(shí)間，氣泡直徑增大趨勢(shì)放緩。

1.2 泡沫金屬與槽道結(jié)合強(qiáng)化沸騰換熱性能實(shí)驗(yàn)研究

文獻(xiàn)[7]研究V型槽表面泡沫金屬對(duì)池沸騰換熱性能的影響。與光滑銅表面相比，V槽多孔泡沫因增加了汽化核心，泡沫金屬多孔結(jié)構(gòu)的毛細(xì)力增強(qiáng)液體的補(bǔ)充能力，延遲了CHF。1)低孔密度下(20PPI)，孔徑相對(duì)較大，毛細(xì)力較小。毛細(xì)力和換熱表面積隨槽寬的增加急劇下降。雖然槽寬增大，擴(kuò)大氣泡逃逸通道，同時(shí)減小了促使液體補(bǔ)充的毛細(xì)力，是液體補(bǔ)充質(zhì)量不足。在低孔密度下，開槽起不到強(qiáng)化作用。2)中孔密度下(100PPI)，V型槽消除了氣泡脫離和新鮮液體補(bǔ)充產(chǎn)生的逆流，傳熱性能隨著槽數(shù)的增加而增加。氣泡從V槽中逃逸，液體從泡沫吸入并補(bǔ)充，產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的循環(huán)，充分體現(xiàn)了V槽的功能，有效提高了傳熱效率。3)高孔密度下(130PPI)，在低熱流密度區(qū)域，槽的數(shù)量對(duì)傳熱性能影響不明顯，在高熱流密度下，槽數(shù)增加，臨界熱流密度增大。

文獻(xiàn)[8]研究U型槽和V型槽泡沫銅表面對(duì)池沸騰換熱性能的影響，U型槽和V型槽如圖1所示。傳熱性能隨著槽數(shù)的增加先增加后減小，存在最佳槽數(shù)。當(dāng)槽數(shù)較少時(shí)，產(chǎn)生的氣泡不能有效的從泡沫金屬中逃離，導(dǎo)致氣泡逸出和液體補(bǔ)充在泡沫基內(nèi)部產(chǎn)生沖突。相反的，當(dāng)凹槽數(shù)較多時(shí)，沒有充足的氣泡從槽中逸出，槽道不能完全發(fā)揮它的作用，另一方面，凹槽減小了換熱面積，削弱了換熱性能。相同槽寬下，V型槽的換熱面積高于U型槽。在低熱通量下，傳熱面積占主導(dǎo)地位，V型槽換熱性能優(yōu)于U型槽，高熱通量下，氣泡逃逸阻力占主導(dǎo)地位，U型槽換熱性能較高。

文獻(xiàn)[9]實(shí)驗(yàn)研究在大氣壓下，水平泡沫金屬表面復(fù)合交叉槽道和單向槽道對(duì)沸騰換熱性能的影響。筆者認(rèn)為沸騰過程是由氣泡逃逸阻力，傳熱面積和毛細(xì)力三個(gè)主要因素共同決定的，不同情況下，占主導(dǎo)地位的因素，隨槽道的分布和熱通量的大小而變化。存在最佳的溝槽體積比，且取決于孔密度?？酌芏仍酱?，最佳溝槽體積比越小。由于溝槽引起氣泡脫離和液體補(bǔ)充路徑分離，改善沸騰換熱狀況，但槽數(shù)對(duì)沸騰傳熱性能和相應(yīng)主導(dǎo)因素的影響均依賴于厚度。銅泡沫厚度為3mm時(shí)，沸騰過程中主導(dǎo)因素為氣泡逃逸阻力，傳熱性能隨著槽數(shù)的增加而增大；銅泡沫厚度為4mm時(shí)，沸騰過程中主導(dǎo)因素為傳熱表面積(毛細(xì)力)，隨著槽數(shù)的增加，傳熱效率降低；銅泡沫厚度為2mm時(shí)，傳熱性能對(duì)槽數(shù)不敏感。一般而言，交叉溝槽的傳熱系數(shù)高于單向溝槽的傳熱系數(shù)。對(duì)于給定單向槽數(shù)，隨著槽寬的增加，主導(dǎo)因素從氣泡逸出阻力轉(zhuǎn)變?yōu)榕菽砻娣e(毛細(xì)力)，存在最佳槽寬為2mm。隨著給定槽數(shù)的增加，對(duì)應(yīng)最佳槽寬2mm的最大傳熱系數(shù)增大。

圖1 (a)v型槽；(b)U型槽

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出來，由于泡沫金屬的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它的結(jié)構(gòu)特征均會(huì)影響沸騰換熱性能。材料的導(dǎo)熱性能影響金屬骨架的溫度分布；泡沫金屬的厚度、孔徑、孔隙率、孔密度和槽道結(jié)構(gòu)幾個(gè)因素相互影響、共同作用影響氣泡脫離和液體補(bǔ)充的流道，影響換熱效率。

2 總結(jié)與展望

從多孔泡沫金屬對(duì)池沸騰換熱性能的影響來看，泡沫金屬對(duì)池沸騰的換熱強(qiáng)化作用是得到廣大學(xué)者認(rèn)可的。但是因?yàn)榕菽饘俚慕Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔徑D，孔隙率p，孔密度(PPI)及多孔泡沫厚度等均對(duì)沸騰換熱性能有一定的影響，目前主要研究的事泡沫金屬單一特征參數(shù)對(duì)沸騰換熱性能的影響，但是這些特征參數(shù)是相互影響相互制約的，所以需要跟進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和模擬研究來深入研究泡沫金屬強(qiáng)化沸騰換熱的機(jī)理。

現(xiàn)如今熱功表面趨于細(xì)微化，復(fù)雜化，而多孔泡沫金屬具有較好的可設(shè)計(jì)性和廣泛的應(yīng)用前景，應(yīng)圍繞泡沫金屬復(fù)合槽道或槽道復(fù)合泡沫金屬等表面結(jié)構(gòu)展開研究，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種方法，揭示微結(jié)構(gòu)多孔表面對(duì)池沸騰換熱性能影響的機(jī)理，為有效提高池沸騰換熱性能和實(shí)際解決實(shí)際問題提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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