泡沫金屬換熱器壓降與換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究＊

張國立 楊 立 孫豐瑞

（海軍工程大學(xué)動力工程系 武漢 430033）

國內(nèi)外對泡沫金屬強(qiáng)化換熱的研究通常要考慮阻力特性和傳熱特性.對于開孔泡沫金屬，阻力特性和傳熱特性受多種因素的影響.Crosnier等［1］對孔徑不同的泡沫金屬的阻力特性進(jìn)行了試驗(yàn).Kim等［2］以水為冷卻介質(zhì)對泡沫金屬翅片的摩擦阻力進(jìn)行了研究，對鋁金屬泡沫翅片的換熱性能與傳統(tǒng)翅片做了比較.Salas等［3］最近對金屬泡沫沿流動方向的厚度進(jìn)行了研究.Lu等［4－5］對12種鋼合金和銅合金金屬泡沫中的空氣冷卻對流換熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及理論研究.Boomsma等［6－7］以水為冷卻介質(zhì)，在強(qiáng)制對流的情況下，對不同的泡沫金屬樣品的換熱情況進(jìn)行了比較.Zhao等［8］在真空和常壓環(huán)境下，對不銹鋼泡沫金屬的自然對流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析.Phaviknmar等［9］也對高孔隙率泡沫金屬進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.W.Azzi等［10］對噴氣發(fā)動機(jī)中應(yīng)用泡沫金屬的壓降與傳熱特性進(jìn)行了研究.本文將泡沫金屬插入圓形管道內(nèi)使其成為熱量的載體，通過管道外的冷卻水來降低流經(jīng)泡沫金屬的高溫氣體的溫度，目前還未見有這樣的實(shí)驗(yàn)研究.為了測試泡沫金屬換熱器的流動與換熱特性，建立了一整套泡沫金屬換熱器排氣降溫的系統(tǒng)，對不同條件下泡沫金屬換熱器的阻力特性和換熱特性進(jìn)行了測試.最終得出了泡沫金屬換熱器的工作特點(diǎn).

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡介

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)共分4個部分，包括：高溫氣體產(chǎn)生裝置、泡沫金屬換熱器、冷卻水系統(tǒng)、測量及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)裝置的整體布置如圖1所示.實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的流量，改變電加熱器的加熱量，改變泡沫金屬在換熱器內(nèi)的布置這3種方法來達(dá)到不同的實(shí)驗(yàn)條件.

1.1 高溫氣體產(chǎn)生裝置

實(shí)驗(yàn)中采用的風(fēng)機(jī)型號為臺灣東尼2281，功率為600W，最大直徑2.8mm2.此風(fēng)機(jī)有8個工作檔，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的檔來達(dá)到不同的氣體流速.電加熱器的額定功率為4 kW，2個電加熱器由10個電加熱絲組成，電加熱裝置采用循環(huán)型的流道布置，氣體流經(jīng)此加熱裝置能夠得到充分的加熱，最高溫度可達(dá)190℃.2臺變壓器的型號相同，調(diào)壓范圍為0～250V，最大電流為12A.通過調(diào)節(jié)變壓器的電壓可以可以改變電加熱器的加熱量，從而可以調(diào)節(jié)氣體的溫度，為了實(shí)驗(yàn)設(shè)備能夠穩(wěn)定運(yùn)行，在調(diào)壓過程中將加熱后的氣體溫度控制在150～160℃.

1.2 泡沫金屬換熱器

泡沫金屬換熱器的材料為鋁，兩端用法蘭連接.泡沫金屬換熱器的參數(shù)為：長205mm，內(nèi)徑為99mm，冷卻水套的厚度為8mm，換熱器內(nèi)外壁的厚度均為2mm，法蘭內(nèi)徑為99mm、外徑為147mm、厚為7mm，法蘭上均勻布置16個直徑為6mm的圓孔用來連接前后端.在換熱器內(nèi)部插入孔密度為20PPI，空隙率為90%的泡沫銅30片，每片泡沫銅的直徑為100mm、厚度為6mm.在泡沫金屬換熱器兩端距離法蘭30mm處個安裝有直徑為8mm的入水口和出水口.

1.3 冷卻水系統(tǒng)

冷卻水系統(tǒng)由管道、流量計(jì)和自來水組成.實(shí)驗(yàn)中采用自來水為冷卻水源，直接向換熱器中輸水，水的流量及流速由自來水閥門控制.在自來水管道出口與換熱器入水口之間加裝一個金屬管浮子流量計(jì).流量計(jì)的參數(shù)為：精度2.5級，流量范圍10～100L／h，工作壓力小于等于6.3MPa，工作環(huán)境溫度－40～65℃.

1.4 測量及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

流速的測量采用加野6004熱線式風(fēng)速儀和笛形管測速計(jì)，動壓差和靜壓差的測量采用皮托管.笛形管、動壓差和靜壓差的數(shù)據(jù)通過準(zhǔn)確度為0.5級的差壓變送器來采集.溫度的測量采用銅康銅T型熱電偶.差壓變送器及溫度的數(shù)據(jù)采集使用美國Agilent Technologies公司生產(chǎn)的Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集的數(shù)據(jù)傳輸至電腦保存.

2 測試方法及數(shù)據(jù)處理

2.1 測試方法

為了比較泡沫金屬對換熱器阻力及換熱特性的影響，將測試分為兩組，一組為不加泡沫金屬的換熱器，另一組為泡沫金屬換熱器.

換熱器的前端和后端都安裝有延長段來保證流體進(jìn)入和流出換熱器時能夠達(dá)到穩(wěn)定.在換熱器的入口側(cè)沿直徑由上至下均勻布置5個熱電偶，出口側(cè)沿直徑由上至下均勻布置9個熱電偶.在換熱器的入水口和出水口各布置一個熱電偶，換熱器的前端延長段中間1 500mm處安裝一個笛形管測速計(jì)，在前端和后端40mm處各安裝一個皮托管，最后通過Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)記錄至電腦.

調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的工作檔得到5個不同的氣流速度，調(diào)節(jié)2個變壓器的電壓使得換熱器入口溫度在一相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)，待風(fēng)機(jī)和加熱器工作一段時間后流動和換熱達(dá)到穩(wěn)定再開始數(shù)據(jù)采集.

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

笛形管測速計(jì)是皮托管的一種，與普通的皮托管略有差異但測速原理是相同的，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前需對笛形管測速計(jì)進(jìn)行標(biāo)定.通過測量流體的總壓p0和靜壓p，或壓差來進(jìn)行流速計(jì)算時，應(yīng)做適當(dāng)?shù)男拚?為此引入皮托管的校準(zhǔn)系數(shù)

即實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前在換熱器中沒有泡沫金屬的狀態(tài)下利用加野6004熱線式風(fēng)速儀測量3組數(shù)據(jù)，同時在測量的過程中采集笛形管測速計(jì)的差壓數(shù)據(jù)，利用式（1）計(jì)算出3組ζ然后取平均值，最終算得的ζ＝0.699.

差壓變送器的量程為0～3 000Pa，數(shù)據(jù)采集器采集的電流信號為4～20mA，換算得數(shù)據(jù)為187.5Pa／mA.由以上數(shù)據(jù)及公式，笛形管、皮托管所測量出來的壓差信號可通過計(jì)算得到所需的速度和壓力差值.

3 結(jié)果分析

3.1 阻力性能分析

實(shí)驗(yàn)分別對未加入泡沫金屬的換熱器和泡沫金屬換熱器在不同流速下的阻力特性開展研究，記錄了兩種情況下?lián)Q熱器入口和出口的靜壓差和動壓差，據(jù)此分析換熱器的壓降特性.由圖2可見隨著流速的增加2種形式的換熱器的動壓差、靜壓差都是逐漸增大的，且泡沫金屬換熱器的壓降遠(yuǎn)大于無泡沫金屬的換熱器.

圖2 壓差隨流速的變化圖

開孔泡沫金屬的內(nèi)部具有連續(xù)貫通的三維多孔結(jié)構(gòu)，孔的排列無規(guī)則，但孔密度和孔隙率是一定的.管內(nèi)插入泡沫金屬后氣體的流動路線發(fā)生了極大的改變，流動空間迅速減小，致使氣體流過換熱器時產(chǎn)生極大的阻力，流體從中間流過時慣性阻力和形狀阻力是產(chǎn)生壓降的主要原因.由于阻力的作用，加入泡沫金屬后流體在管內(nèi)的速度分布由原來的近似拋物線分布變成速度較均勻的分布，管壁與管中心的速度分布差值變小，最終導(dǎo)致了較大的壓力損失.分析圖3還可知無論是泡沫金屬換熱器還是無泡沫金屬的換熱器，動壓差的值均小于靜壓差的值，但同一形式的換熱器動壓差和靜壓差相差不大.從圖中曲線發(fā)展的趨勢可以看出在不同的流速下泡沫金屬換熱器的壓降都比無泡沫金屬時大很多，兩者并不在一個數(shù)量級上，無泡沫金屬的情況下壓降幾乎可以忽略.

圖3 溫度降隨流速的變化圖

3.2 換熱性能分析

表1、表2列出了換熱器在水流量為80L／h，室溫為36℃的條件下各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù).

表1 無泡沫金屬時換熱器的參數(shù)表

表2 泡沫金屬換熱器的參數(shù)表

由圖3可見高溫氣體流經(jīng)無泡沫金屬的換熱器時溫降在7℃左右，且隨著流速的增加氣體流經(jīng)換熱器的降溫效果是變差的；高溫氣體流經(jīng)泡沫金屬換熱器時溫降在18～26℃不等，隨著流速的增加泡沫金屬換熱器的換熱效果總體趨勢也是變差的.從以往的實(shí)驗(yàn)及理論的研究中可以看到氣體與固體間對流換熱熱阻非常大，增強(qiáng)氣體與固體間的換熱是非常困難的.可見在流速相近的情況下泡沫金屬換熱器的換熱效果要比不加泡沫金屬的換熱器好很多.管內(nèi)插入泡沫金屬主要是以降低排氣的溫度為目的，泡沫金屬中的傳熱過程由兩部分構(gòu)成：金屬骨架本身的熱傳導(dǎo)以及金屬表面間的對流換熱.泡沫金屬的加入提高了金屬表面與流體間的對流換熱，即通過提高結(jié)構(gòu)的比表面積增加單位體積內(nèi)的對流換熱面積.同時由于泡沫金屬的存在使得流體流經(jīng)泡沫金屬時速度變的較為均勻，從而改變了速度場與溫度場的協(xié)同程度強(qiáng)化了換熱.另外從圖3中可以明顯的看到泡沫金屬換熱器中第五個點(diǎn)的溫降高于第四個點(diǎn)的溫降，綜合表2的數(shù)據(jù)可以得知第五個點(diǎn)的氣體入口溫度高于第四個點(diǎn)的氣體入口溫度，但2個點(diǎn)的速度相差不大，可見入口溫度的高低對換熱器的換熱效果也有一定的影響，入口溫度越高換熱效果越好.

利用公式Q＝mcpΔt驗(yàn)證氣體和水的換熱量可知，氣體的換熱量略大于水的換熱量.產(chǎn)生這種情況的主要原因是換熱器的前后端都安裝有延長段，其材料為鐵，由于鐵與鋁之間的熱阻很小熱量傳遞很快，因此有一部分熱量從換熱器的兩端散失了.

為了研究水流量對高溫氣體降溫的影響，在流速為5.753m／s的情況下，分別測量了冷卻水流量為80L／h和500L／h時的換熱效果.由表2可知在冷卻水流量為80L／h時氣體進(jìn)出口溫差為18.696 6℃；測量得冷卻水流量為500L／h時氣體進(jìn)出口溫差為19.275 8℃；兩者相差并不大.可見換熱器水側(cè)的換熱已經(jīng)十分充分了，再提高水的流量意義不大.

4 結(jié) 論

1）泡沫金屬換熱器用來降低高溫氣體的溫度能起到很好的效果，氣體的流速越低、溫度越高降溫效果越好.

2）泡沫金屬換熱器水側(cè)的換熱是十分充分的，增大水的流量意義不大.

3）泡沫金屬換熱器在提升換熱效果的同時帶來了較大的壓力損失，在實(shí)際應(yīng)用時要權(quán)衡利弊進(jìn)行選擇.

［1］Crosnier S，Riva R，Bador B，et al.Modelling of gas flow through metallic foamspresented［C］／／Alpexpo－Alpes Congrés，Grenobel，F(xiàn)rance：1st European Hydrogen Energy Conference.2003.

［2］Kim S Y，Paek J W，Kang B H.Flow and heat transfer correlations for porous fin in a plate－fin heat exchanger［J］.Journal of Heat Transfer，2000，122：572－578.

［3］Salas Ken I，Waas Anthony M.Convective heat transfer in open cell metal foams［J］.Journal of Heat Transfer，2007，129（9）：1217－1229.

［4］盧天鍵，何德平，陳常青，等.超輕多孔金屬材料的多功能特性及研究［J］.力學(xué)進(jìn)展，2006，36（4）：517－535.

［5］Lu T J，Valdevit L，Evans A G.Active cooling by metallic sandwich structures with periodic cores［J］.Progress in Materials Science，2005，50：789－815.

［6］Boomsma K，Poulikakos D，Zwick F.Metal foams as compact high performance heat exchangers［J］.Mechanics of Materials，2003，35：1161－1176.

［7］Boomsma K，Poulikakos D.The effects of compression and pore size variations on the liquid flow characteristics in metal foams［J］.Journal of Fluids Engineering，2002，124：263－272.

［8］Zhao C Y，Lu T J，Hodson H P.Natural convection in metal foamswith open cells［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2005，48：2452－2463.

［9］Phanikumar M S，Mahajan R L.Non－darcy natural convection in high porosity metal foams［J］.Int.Journal of Heat and Mass Transfer，2002，45：3781－3793.

［10］Azzi W，Roberts W L，abiei A R.A study on pressure drop and heat transfer in open cell metal foams for jet engine applications［J］.Materials and Design，2007，28：569－574.