خواص انتقال حرارت فوم‌های فلزی سلول باز

فوم فلزی نوعی ماده فلزی کامپوزیت چند منظوره است که حاوی تعداد مشخصی، اندازه مشخصی از منافذ و تخلخل خاصی در ماتریس فلزی است. فوم فلزی دارای ویژگی‌های ساختاری منحصر به فردی مانند مساحت سطح ویژه بزرگ، تخلخل زیاد و چگالی کم است و دارای ویژگی‌های کامپوزیت چند منظوره مانند اتلاف گرما (سلول باز)، عایق حرارتی (سلول بسته)، جذب صدا و میرایی ارتعاش، سبک وزن، استحکام ویژه بالا، محافظ الکترومغناطیسی و غیره است و نوعی ماده ساختاری و عملکردی است که خواص ترموفیزیک را با هم ادغام می‌کند.سیکها، مکانیک، آکوستیک و برق.
برایفوم فلزی سلول بازتخلخل بالا و ساختار مشبک سه‌بعدی پیچیده، باعث می‌شود که اتلاف حرارت بسیار خوب و راندمان انتقال حرارت بالایی داشته باشد که چشم‌انداز کاربرد بسیار گسترده‌ای در زمینه مبدل‌های حرارتی فشرده، خنک‌کننده دستگاه‌های میکروالکترونیک و غیره دارد. برای خواص انتقال حرارت فلز فوم سلول باز، وضعیت تحقیقاتی آن از حوزه‌های کاربردی مبدل‌های حرارتی فشرده بررسی و تجزیه و تحلیل شده است.
فوم فلزیبرای مبدل‌های حرارتی فشرده
خواص انتقال حرارت بهبود یافته فوم فلزی به طور کلی شناخته شده است. هنگامی که گاز یا مایع از طریق سوراخ‌ها جریان می‌یابد، گرما به صورت همرفت اجباری بین فوم فلزی با ساختار سلول باز و سیال منتقل و مبادله می‌شود. از یک طرف، ساختار مشبک سه‌بعدی پیچیده فوم فلزی باعث ایجاد اثر غیرخطی سیال می‌شود و درجه تلاطم نیز تقویت می‌شود، بنابراین سطح جامد را به سیال در انتقال حرارت محلی بالا ارتقا می‌دهد. از طرف دیگر، سطح ویژه بزرگ فلز فوم نیز دلیل مهمی برای عملکرد انتقال حرارت خوب فلز است. در حال حاضر، مطالعه فوم فلزی برای عملکرد انتقال حرارت مبدل حرارتی فشرده عمدتاً بر انتقال حرارت بهبود یافته سمت هوا و انتقال حرارت بهبود یافته سمت مبرد متمرکز است.
برای بهبود خواص انتقال حرارت سمت هوا در فوم فلزی، در کاربردهایی که از فین‌های سنتی استفاده می‌شود، مانند خنک‌کننده‌های قطعات الکترونیکی، مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای و مبدل‌های حرارتی پره‌دار، از فوم فلزی به جای فین برای اتلاف حرارت استفاده می‌شود. در مبدل‌های حرارتی فشرده، خواص انتقال حرارت جریانی در حال حاضر عمدتاً برای فلزات فوم مس و آلومینیوم با چگالی منافذ عموماً کمتر از 40٪ و تخلخل‌های 70٪ یا بیشتر مورد مطالعه قرار می‌گیرد.
در یک اندازه منافذ مشخص، نرخ انتقال حرارت با افزایش تخلخل افزایش می‌یابد و غالب می‌شود. از سوی دیگر، برای یک تخلخل مشخص، هرچه چگالی منافذ بیشتر باشد، راندمان انتقال حرارت کمتر است که ممکن است به دلیل اندازه بیش از حد بزرگ منافذ باشد. پارامترهای ساختار منافذ، تخلخل، چگالی منافذ و قطر منافذ، عوامل اصلی مؤثر بر عملکرد انتقال حرارت هستند.فوم‌های فلزیبرای کاربرد فوم فلزی در خنک‌سازی قطعات الکترونیکی، اثرات تخلخل فوم فلزی و قطر منافذ بر اثر اتلاف حرارت با آزمایش‌های متعامد بررسی شد. نتایج نشان می‌دهد که تحت همرفت اجباری، عملکرد اتلاف حرارت فلز فوم به ساختار منافذ مربوط می‌شود که در آن اندازه منافذ بیشترین تأثیر را دارد.
برخی نتایج تحقیقات نشان می‌دهد که اگرچه فلز فوم نقش مهمی در افزایش انتقال حرارت دارد، اما رشد مقاومت همراه با رشد عملکرد مبدل حرارتی قابل اغماض نیست. راندمان انتقال حرارت فلز فوم در افت فشار کمتر به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد و افت فشار با افزایش چگالی منافذ افزایش می‌یابد. نتایج این مطالعه برای طراحی و ساخت مبدل‌های حرارتی سبک و جمع و جور با راندمان بالا آموزنده است. یک مطالعه تجربی از مبدل‌های حرارتی فلز فوم و مبدل‌های حرارتی پره‌دار با اندازه یکسان انجام شد و مشخص شد که در شرایط آزمایش یکسان، مبدل حرارتی فلز فوم نسبت به مبدل حرارتی پره‌دار راندمان کمتری دارد و افت فشار و ضریب اصطکاک بیشتر از مبدل حرارتی پره‌دار است. فلز فوم متخلخل اثر تقویت‌کننده آشکاری بر انتقال حرارت همرفتی دارد و اثر تقویت‌کننده با افزایش عدد رینولدز کاهش می‌یابد. فلز فوم متخلخل باعث افزایش مقاومت جریان سیال می‌شود، اما با افزایش عدد رینولدز، افزایش چند برابری مقاومت کاهش می‌یابد. تقویت جامع انتقال حرارت همرفتی و افزایش افت فشار در جریان از دو جنبه قابل مشاهده است،فلز فوم متخلخلبرای سیال با نرخ جریان کمتر مناسب‌تر است. فوم فلزی نقش انتقال حرارت بهبود یافته در سمت هوا را دارد، اما همزمان با افزایش عملکرد انتقال حرارت، مقاومت نیز افزایش می‌یابد و عملکرد کلی آن از پره‌های سنتی بدتر است. تحقیقات نشان می‌دهد که فوم فلزی برای موارد نادر با جریان کم مناسب است. بنابراین، انتقال حرارت بهبود یافته در سمت هوا از جنس فوم فلزی باید موارد کاربرد را در نظر بگیرد و نمی‌تواند کورکورانه تحقیقات جایگزین اتلاف حرارت پره سنتی را انجام دهد.

فوم فلزی همچنین می‌تواند در افزایش انتقال حرارت مبرد از طریق تغییر فاز نقش داشته باشد. نتایج نشان می‌دهد که وقتی تخلخل قطعی باشد، با کاهش چگالی منافذ از 20 به 40 PPI و کاهش اندازه منافذ، عملکرد انتقال حرارت دو برابر می‌شود که به دلیل ساختار سلولی ظریف‌تر با مساحت سطح بزرگتر و آشفتگی شدیدتر است. در نرخ‌های جریان بالا، ضریب انتقال حرارت جوشش با افزایش خشکی، افزایش ثابت و آهسته‌ای را حفظ می‌کند. با افزایش تدریجی فشار عملیاتی، پدیده انتقال حرارت جوشش در خشکی کم مشابه جوشش زمینی است، یعنی انتقال حرارت با افزایش فشار تشدید می‌شود، اما افزایش فشار تا حدی نقش مخربی در انتقال حرارت جوشش ایفا می‌کند. ضریب انتقال حرارت لوله‌های فوم مسی حدود سه برابر بیشتر از لوله‌های سبک است. در مورد مبرد خالص، وجود فلز فوم، جریان انتقال حرارت جوشش را افزایش می‌دهد و ضریب انتقال حرارت تا 185٪ افزایش می‌یابد. در مورد شرایط حاوی روغن، اثر فوم فلزی برای تقویت انتقال حرارت ضعیف می‌شود. تحت شرایط یکسان، در مقایسه با فلز فوم 5PPI، فلز فوم 10PPI می‌تواند ضریب انتقال حرارت را تا 0.6 برابر افزایش دهد و اندازه منافذ کوچکتر می‌تواند ضریب انتقال حرارت جوشش جریانی را بهبود بخشد.
اثرات نرخ جریان جرمی و خشکی سیال دو فازی بر افت فشار چگالش جریان و ضریب انتقال حرارت به طور جامع مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. نتایج نشان می‌دهد که افت فشار لوله فوم فلزی حلقوی پر شده با دیواره داخلی بسیار بزرگتر از لوله سبک است و افت فشار با افزایش نرخ جریان جرمی و خشکی به سرعت و به صورت غیرخطی افزایش می‌یابد. ضریب انتقال حرارت چگالش لوله فوم فلزی حلقوی پر شده با دیواره داخلی بزرگتر از لوله سبک است و ضریب انتقال حرارت با افزایش نرخ جریان جرمی و خشکی افزایش می‌یابد و ضریب انتقال حرارت چگالش جریان این نوع لوله‌های تقویت شده حدود دو برابر لوله سبک است. از آنجا که اثر مویرگی آن آشکار است، چگالی منافذ لوله تقویت شده 130PPI بهترین اثر است، برای لوله سبک 3.06 برابر، لوله 40PPI عمدتاً شبیه ساختار لوله کم آجدار به عنوان وسیله‌ای برای تقویت است.
در مبدل حرارتی فشرده،فوم فلزیمی‌توان به طور کامل برای تقویت نقش انتقال حرارت استفاده کرد، اما این مطالعه نشان داد که ویژگی‌های مقاومتی رشد فلز فوم نیز بسیار قابل توجه است، و نیاز به عملکرد جامع برای ارزیابی کاربرد فلز فوم در مبدل حرارتی فشرده وجود دارد. علاوه بر این، در حضور روان‌کننده‌های حاوی روغن، فلزات فوم می‌توانند منجر به وخامت انتقال حرارت شوند و انتقال حرارت افزایش‌یافته فوم‌های فلزی برای انتقال حرارت تغییر فاز مبردها باید با توجه به اثرات روان‌کننده‌ها در نظر گرفته شود.