คุณสมบัติการถ่ายเทความร้อนของโฟมโลหะเซลล์เปิด

โฟมโลหะเป็นวัสดุผสมโลหะแบบอเนกประสงค์ชนิดหนึ่งที่มีจำนวนรูพรุนขนาดต่างๆ กัน และมีความพรุนในเมทริกซ์โลหะในปริมาณหนึ่ง โฟมโลหะมีลักษณะโครงสร้างเฉพาะตัว เช่น พื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่ ความพรุนขนาดใหญ่ และความหนาแน่นต่ำ และมีลักษณะผสมแบบอเนกประสงค์ เช่น การกระจายความร้อน (เซลล์เปิด) ฉนวนกันความร้อน (เซลล์ปิด) การดูดซับเสียงและการลดการสั่นสะเทือน น้ำหนักเบา ความแข็งแรงจำเพาะสูง ป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นต้น และเป็นวัสดุโครงสร้างและฟังก์ชันชนิดหนึ่งที่ผสานคุณสมบัติของเทอร์โมฟีซิกวิศวกรรมศาสตร์, กลศาสตร์, อะคูสติก และไฟฟ้า
สำหรับโฟมโลหะเซลล์เปิดโครงสร้างตาข่ายสามมิติที่มีรูพรุนสูงและซับซ้อนทำให้มีการกระจายความร้อนที่ดีมากและมีประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อนสูง ซึ่งมีแนวโน้มการใช้งานที่กว้างขวางมากในด้านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบกะทัดรัด การระบายความร้อนของอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ และอื่นๆ สำหรับคุณสมบัติการถ่ายเทความร้อนของโลหะโฟมเซลล์เปิด สถานะการวิจัยจะได้รับการตรวจสอบและวิเคราะห์จากพื้นที่การใช้งานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบกะทัดรัด
โฟมโลหะสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบกะทัดรัด
โดยทั่วไปแล้วคุณสมบัติการถ่ายเทความร้อนที่เพิ่มขึ้นของโฟมโลหะได้รับการยอมรับ เมื่อก๊าซหรือของเหลวไหลผ่านรู ความร้อนจะถูกถ่ายเทและแลกเปลี่ยนในรูปแบบของการพาความร้อนแบบบังคับระหว่างโฟมโลหะที่มีโครงสร้างเซลล์เปิดและของไหล ในแง่หนึ่ง โครงสร้างตาข่ายสามมิติที่ซับซ้อนของโฟมโลหะทำให้เกิดผลที่ไม่เป็นเชิงเส้นของของไหล และระดับความปั่นป่วนก็ถูกทำให้แข็งแกร่งขึ้นด้วย จึงส่งเสริมพื้นผิวแข็งของของไหลในการถ่ายเทความร้อนในพื้นที่สูง ในอีกแง่หนึ่ง พื้นผิวจำเพาะขนาดใหญ่ของโฟมโลหะยังเป็นเหตุผลสำคัญที่ทำให้โลหะมีประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนที่ดี ในปัจจุบัน การศึกษาโฟมโลหะสำหรับประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบกะทัดรัดมุ่งเน้นไปที่การถ่ายเทความร้อนที่เพิ่มขึ้นด้านอากาศและการถ่ายเทความร้อนที่เพิ่มขึ้นด้านสารทำความเย็นเป็นหลัก
สำหรับคุณสมบัติการถ่ายเทความร้อนที่เพิ่มขึ้นของโฟมโลหะด้านอากาศ โฟมโลหะถูกนำมาใช้แทนครีบเพื่อระบายความร้อนในการใช้งานที่ใช้ครีบแบบดั้งเดิม เช่น ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ระบายความร้อน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบมีครีบ ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบกะทัดรัด คุณสมบัติการถ่ายเทความร้อนจากการไหลในปัจจุบันได้รับการศึกษาโดยเฉพาะสำหรับโลหะโฟมทองแดงและอลูมิเนียมที่มีความหนาแน่นของรูพรุนโดยทั่วไปน้อยกว่า 40% และมีความพรุน 70% ขึ้นไป
เมื่อรูพรุนมีขนาดเท่าใด อัตราการถ่ายเทความร้อนจะเพิ่มขึ้นตามความพรุนที่เพิ่มขึ้นและมีอิทธิพลเหนือกว่า ในทางกลับกัน เมื่อความพรุนมีขนาดเท่าใด ยิ่งความหนาแน่นของรูพรุนสูงขึ้น ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนก็จะยิ่งลดลง ซึ่งอาจเกิดจากขนาดรูพรุนที่ใหญ่เกินไป พารามิเตอร์โครงสร้างรูพรุน ความพรุน ความหนาแน่นของรูพรุน และเส้นผ่านศูนย์กลางของรูพรุนเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนของวัสดุโฟมโลหะสำหรับการประยุกต์ใช้โฟมโลหะในการระบายความร้อนส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ ผลกระทบของรูพรุนและเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนของโฟมโลหะต่อผลกระทบการกระจายความร้อนได้รับการตรวจสอบโดยการทดลองแบบตั้งฉาก ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าภายใต้การพาความร้อนแบบบังคับ ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนของโฟมโลหะจะสัมพันธ์กับโครงสร้างรูพรุน ซึ่งขนาดรูพรุนมีอิทธิพลมากที่สุด
ผลการศึกษาวิจัยบางชิ้นแสดงให้เห็นว่าแม้ว่าโลหะโฟมจะมีบทบาทสำคัญในการเพิ่มการถ่ายเทความร้อน แต่การเติบโตของความต้านทานก็ไม่อาจละเลยได้พร้อมกับการเติบโตของประสิทธิภาพของตัวแลกเปลี่ยนความร้อน ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนของโลหะโฟมได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญที่การสูญเสียความดันที่น้อยกว่า และการสูญเสียความดันจะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของความหนาแน่นของรูพรุน ผลการศึกษานี้เป็นประโยชน์สำหรับการออกแบบและการผลิตตัวแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูงน้ำหนักเบาและกะทัดรัด ได้มีการศึกษาทดลองเกี่ยวกับตัวแลกเปลี่ยนความร้อนโลหะโฟมและตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบมีครีบที่มีขนาดเท่ากัน และพบว่าภายใต้เงื่อนไขการทดสอบเดียวกัน ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนโลหะโฟมมีประสิทธิภาพน้อยกว่าตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบมีครีบ และการสูญเสียความดันและค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจะสูงกว่าตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบมีครีบ โลหะโฟมที่มีรูพรุนมีผลในการเสริมความแข็งแรงที่ชัดเจนต่อการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน และผลการเสริมความแข็งแรงจะลดลงเมื่อค่าเรย์โนลด์เพิ่มขึ้น โลหะโฟมที่มีรูพรุนทำให้ความต้านทานการไหลของของไหลเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด แต่การคูณของความต้านทานที่เพิ่มขึ้นจะลดลงเมื่อค่าเรย์โนลด์เพิ่มขึ้น สามารถเห็นการเสริมความแข็งแกร่งของการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนอย่างครอบคลุมและการเพิ่มขึ้นของการลดความดันในการไหลในสองด้านโฟมโลหะพรุนเหมาะกับของเหลวที่มีอัตราการไหลต่ำ โฟมโลหะมีบทบาทในการถ่ายเทความร้อนด้านอากาศที่ดีขึ้น แต่ในขณะเดียวกันก็เพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน ความต้านทานยังเพิ่มขึ้น และประสิทธิภาพโดยรวมแย่กว่าครีบแบบดั้งเดิม การวิจัยแสดงให้เห็นว่าโฟมโลหะเหมาะสำหรับโอกาสที่อัตราการไหลต่ำ ดังนั้น การถ่ายเทความร้อนด้านอากาศที่ดีขึ้นของโฟมโลหะจึงต้องพิจารณาโอกาสการใช้งาน และไม่สามารถดำเนินการวิจัยทางเลือกการระบายความร้อนของครีบแบบดั้งเดิมอย่างสุ่มสี่สุ่มห้าได้

โฟมโลหะยังสามารถมีบทบาทในการเพิ่มการถ่ายเทความร้อนของสารทำความเย็นโดยการเปลี่ยนเฟส ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าเมื่อรูพรุนมีความแน่นอน ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าเนื่องจากความหนาแน่นของรูพรุนลดลงจาก 20 เป็น 40 PPI และขนาดรูพรุนลดลง เนื่องจากโครงสร้างเซลล์ที่ละเอียดกว่าพร้อมพื้นที่ผิวที่ใหญ่กว่าและการรบกวนที่รุนแรงยิ่งขึ้น ที่อัตราการไหลสูง ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจากการเดือดจะคงการเพิ่มขึ้นที่คงที่และช้าๆ เมื่อความแห้งเพิ่มขึ้น เมื่อความดันใช้งานเพิ่มขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป ปรากฏการณ์การถ่ายเทความร้อนจากการเดือดที่ความแห้งต่ำจะคล้ายกับการเดือดบนพื้นดิน กล่าวคือ การถ่ายเทความร้อนจะรุนแรงขึ้นเมื่อความดันเพิ่มขึ้น แต่ความดันที่เพิ่มขึ้นในระดับหนึ่งมีบทบาทในการถ่ายเทความร้อนจากการเดือดลดลง ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนของท่อโฟมทองแดงสูงกว่าท่อเบาประมาณสามเท่า ในกรณีของสารทำความเย็นบริสุทธิ์ การมีโลหะโฟมจะช่วยเพิ่มการไหลของการถ่ายเทความร้อนจากการเดือด และค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจะเพิ่มขึ้นถึง 185% ในกรณีที่มีสภาพที่มีน้ำมัน ผลของโฟมโลหะในการเสริมการถ่ายเทความร้อนจะลดลง ภายใต้สภาพเดียวกัน เมื่อเปรียบเทียบกับโฟมโลหะ 5PPI โฟมโลหะ 10PPI สามารถเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนได้มากถึง 0.6 เท่า และขนาดรูพรุนที่เล็กลงสามารถปรับปรุงค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจากการเดือดของการไหลได้
ผลกระทบของอัตราการไหลของมวลและความแห้งของของเหลวสองเฟสต่อการลดความดันควบแน่นของการไหลและค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนได้รับการวิเคราะห์อย่างครอบคลุม ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าการลดความดันของท่อโฟมโลหะรูปวงแหวนที่เติมผนังด้านในนั้นมากกว่าของหลอดไฟมาก และการลดความดันจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและไม่เป็นเชิงเส้นตามการเพิ่มขึ้นของอัตราการไหลของมวลและความแห้ง ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจากการควบแน่นของท่อโฟมโลหะรูปวงแหวนที่เติมผนังด้านในนั้นมากกว่าของหลอดไฟ และค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของอัตราการไหลของมวลและความแห้ง และค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจากการควบแน่นของการไหลของท่อเสริมแรงประเภทนี้จะมากกว่าของหลอดไฟประมาณสองเท่า เนื่องจากผลของเส้นเลือดฝอยนั้นชัดเจน ความหนาแน่นของรูพรุนของท่อเสริมแรง 130PPI จึงเป็นผลกระทบที่ดีที่สุด สำหรับหลอดไฟนั้น ท่อ 40PPI นั้นมีความคล้ายคลึงกับโครงสร้างของท่อซี่โครงต่ำเป็นส่วนใหญ่ ซึ่งเป็นวิธีการเสริมความแข็งแกร่ง
ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบกะทัดรัดโฟมโลหะสามารถใช้ประโยชน์ได้อย่างเต็มที่เพื่อเสริมสร้างบทบาทของการถ่ายเทความร้อน แต่การศึกษาแสดงให้เห็นว่าลักษณะความต้านทานของการเติบโตของโลหะโฟมก็มีความสำคัญมากเช่นกัน ความจำเป็นในการประเมินประสิทธิภาพที่ครอบคลุมของการใช้โลหะโฟมในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบกะทัดรัด นอกจากนี้ ในกรณีที่มีน้ำมันหล่อลื่นที่ประกอบด้วยน้ำมัน โลหะโฟมสามารถนำไปสู่การเสื่อมสภาพของการถ่ายเทความร้อนได้ และต้องพิจารณาการถ่ายเทความร้อนที่เพิ่มขึ้นของโฟมโลหะสำหรับการถ่ายเทความร้อนแบบเปลี่ยนเฟสของสารทำความเย็นโดยคำนึงถึงผลกระทบของน้ำมันหล่อลื่น