Propiedades de transferencia de calor de espumas metálicas de celdas abiertas

La espuma metálica es un material compuesto metálico multifuncional que contiene una cantidad, tamaño y porosidad determinados en la matriz metálica. La espuma metálica posee características estructurales únicas, como una gran superficie específica, gran porosidad y baja densidad. Además, posee características de compuesto multifuncionales como disipación de calor (celda abierta), aislamiento térmico (celda cerrada), absorción acústica y amortiguación de vibraciones, ligereza, alta resistencia específica y apantallamiento electromagnético, entre otras. Es un material estructural y funcional que integra las propiedades termofísicas.Sics, mecánica, acústica y electricidad.
Paraespuma metálica de celda abiertaSu alta porosidad y su compleja estructura de malla tridimensional le confieren una excelente disipación y una alta eficiencia de transferencia térmica, lo que le brinda una amplia gama de aplicaciones en el campo de los intercambiadores de calor compactos, la refrigeración de dispositivos microelectrónicos, etc. En cuanto a las propiedades de transferencia térmica del metal de espuma de celda abierta, se investiga y analiza su estado de investigación desde las áreas de aplicación de los intercambiadores de calor compactos.
Espuma metálicapara intercambiadores de calor compactos
Las propiedades mejoradas de transferencia de calor de la espuma metálica son generalmente reconocidas. Cuando el gas o el líquido fluye a través de los orificios, el calor se transfiere e intercambia mediante convección forzada entre la espuma metálica de celda abierta y el fluido. Por un lado, la compleja estructura de malla tridimensional de la espuma metálica genera un efecto no lineal en el fluido y aumenta el grado de turbulencia, promoviendo así la transferencia de calor local entre la superficie sólida y el fluido. Por otro lado, la gran superficie específica de la espuma metálica es una razón importante para su buen rendimiento de transferencia de calor. Actualmente, el estudio de la espuma metálica para el rendimiento de transferencia en intercambiadores de calor compactos se centra principalmente en la transferencia de calor mejorada del lado del aire y del lado del refrigerante.
Para mejorar las propiedades de transferencia de calor del lado aire de la espuma metálica, se utiliza espuma metálica en lugar de aletas para disipar el calor en aplicaciones donde se emplean aletas tradicionales, como la refrigeración de componentes electrónicos, intercambiadores de calor de placas e intercambiadores de calor con aletas. En intercambiadores de calor compactos, las propiedades de transferencia de calor por flujo se estudian actualmente principalmente para metales de espuma de cobre y aluminio con densidades de poro generalmente inferiores al 40 % y porosidades del 70 % o superiores.
A un tamaño de poro determinado, la tasa de transferencia de calor aumenta con el aumento de la porosidad y predomina. Por otro lado, para una porosidad determinada, cuanto mayor sea la densidad de poros, menor será la eficiencia de transferencia de calor, lo que puede deberse a un tamaño de poro excesivamente grande. Los parámetros de la estructura porosa (porosidad, densidad y diámetro de poros) son los principales factores que afectan el rendimiento de la transferencia de calor.espumas metálicasPara la aplicación de espuma metálica en la refrigeración de componentes electrónicos, se investigaron los efectos de la porosidad y el diámetro de los poros de la espuma metálica en la disipación térmica mediante experimentos ortogonales. Los resultados muestran que, en condiciones de convección forzada, la disipación térmica de la espuma metálica está relacionada con la estructura de los poros, donde el tamaño de los poros tiene la mayor influencia.
Algunos resultados de investigación muestran que, si bien el metal espumoso desempeña un papel importante en la mejora de la transferencia de calor, el aumento de la resistencia es significativo junto con el aumento del rendimiento del intercambiador de calor. La eficiencia de transferencia de calor del metal espumoso mejora significativamente con una menor pérdida de presión, y esta pérdida de presión aumenta con el aumento de la densidad de poros. Los resultados del estudio son útiles para el diseño y la fabricación de intercambiadores de calor ligeros y compactos de alta eficiencia. Se realizó un estudio experimental con intercambiadores de calor de metal espumoso e intercambiadores de calor con aletas del mismo tamaño, y se observó que, en las mismas condiciones de prueba, el intercambiador de calor de metal espumoso fue menos eficiente que el intercambiador de calor con aletas, y la pérdida de presión y el coeficiente de fricción fueron mayores que los de este último. El metal espumoso poroso tiene un efecto de refuerzo evidente en la transferencia de calor convectiva, que disminuye con el aumento del número de Reynolds. El metal espumoso poroso aumenta significativamente la resistencia al flujo del fluido, pero la multiplicación del aumento de la resistencia disminuye con el aumento del número de Reynolds. Se puede observar un fortalecimiento integral de la transferencia de calor convectivo y un aumento en la caída de presión en el flujo de dos aspectos.metal de espuma porosaEs más adecuado para fluidos con menor caudal. El metal espumado mejora la transferencia de calor en el lado del aire, pero al mismo tiempo mejora el rendimiento, aumenta la resistencia y su rendimiento general es inferior al de las aletas tradicionales. Las investigaciones demuestran que el metal espumado es adecuado para casos excepcionales de bajo caudal. Por lo tanto, la transferencia de calor mejorada en el lado del aire con metal espumado debe considerar las aplicaciones y no puede basarse ciegamente en la investigación de alternativas de disipación de calor con aletas tradicionales.

La espuma metálica también puede contribuir a mejorar la transferencia de calor del refrigerante mediante cambio de fase. Los resultados muestran que, cuando la porosidad es estable, el rendimiento de la transferencia de calor se duplica a medida que la densidad de poros disminuye de 20 a 40 PPI y el tamaño de poro disminuye, debido a la estructura celular más fina, la mayor área superficial y la mayor perturbación. A altos caudales, el coeficiente de transferencia de calor en ebullición mantiene un aumento constante y lento con el aumento de la sequedad. Con el aumento gradual de la presión de operación, el fenómeno de transferencia de calor en ebullición a baja sequedad es similar al de la ebullición en tierra; es decir, la transferencia de calor se intensifica con el aumento de la presión, pero el aumento de la presión, hasta cierto punto, influye negativamente en la transferencia de calor en ebullición. El coeficiente de transferencia de calor de los tubos de espuma de cobre es aproximadamente tres veces mayor que el de los tubos ligeros. En el caso del refrigerante puro, la presencia de metal en espuma mejora el flujo de transferencia de calor en ebullición, y el coeficiente de transferencia de calor aumenta hasta en un 185 %. En condiciones que contienen aceite, el efecto de la espuma metálica para fortalecer la transferencia de calor se debilita. En las mismas condiciones, en comparación con el metal espumado de 5 PPI, el metal espumado de 10 PPI puede aumentar el coeficiente de transferencia de calor hasta 0,6 veces y un tamaño de poro más pequeño puede mejorar el coeficiente de transferencia de calor de ebullición del flujo.
Los efectos del caudal másico y la sequedad del fluido bifásico sobre la caída de presión de condensación de flujo y el coeficiente de transferencia de calor se analizaron exhaustivamente. Los resultados muestran que la caída de presión del tubo de espuma metálica anular con pared interior rellena es mucho mayor que la del tubo ligero, y la caída de presión aumenta rápida y no linealmente con el aumento del caudal másico y la sequedad. El coeficiente de transferencia de calor de condensación del tubo de espuma metálica anular con pared interior rellena es mayor que el del tubo ligero, y el coeficiente de transferencia de calor aumenta con el aumento del caudal másico y la sequedad, y el coeficiente de transferencia de calor de condensación de flujo de este tipo de tubos reforzados es aproximadamente el doble que el del tubo ligero. Debido a que su efecto capilar es obvio, la densidad de poros del tubo reforzado de 130 PPI es la mejor, para el tubo ligero 3,06 veces, el tubo de 40 PPI es principalmente similar a la estructura del tubo de baja nervadura como medio de refuerzo.
En el intercambiador de calor compacto,espuma metálicaSi bien se puede aprovechar al máximo para mejorar la transferencia de calor, el estudio demostró que las características de resistencia del metal de espuma también son muy significativas, lo que justifica la necesidad de un rendimiento integral para evaluar su aplicación en intercambiadores de calor compactos. Además, en presencia de lubricantes que contienen aceite, los metales de espuma pueden deteriorar la transferencia de calor, por lo que es necesario considerar la mejora de la transferencia de calor de las espumas metálicas para la transferencia de calor por cambio de fase de refrigerantes, considerando los efectos de los lubricantes.