多孔泡沫金属表面强化空气对流换热的实验研究

多孔泡沫金属表面强化空气对流换热的实验研究∗

施明恒，陈振乾

东南大学能源与环境学院，江苏南京（210096）

摘要：本文对空气流过泡沫金属表面的换热特性进行了实验研究。泡沫金属试件是一个泡沫铝园盘。实验表明，泡沫多孔壁面对空气对流换热过程具有明显的强化作用，与光表面相比，无论是自然对流还是强制对流，换热的强化效果都在20％以上。泡沫多孔壁面强化空气对流换热的机理是主流以外的二次流和微对流所引起的附加换热作用。可以预期，泡沫多孔壁在提高各类风冷器和太阳能通风壁空气对流换热过程中有广阔的应用前景。

关键词：泡沫金属，对流换热，强化传热，实验研究

1.前言

在可再生能源的利用中，提高可再生能源的利用效率是可再生能源规模化利用中迫切需要解决的一个首要问题。其中，最关键的是要尽可能地提高可再生能源利用中各类热量交换和传递过程的效率和强度。因此，各类强化换热的新材料和新技术已成为可再生能源利用领域的一个研究热点。多孔泡沫金属材料由于其特有的性能，在蓄能和强化换热中受到了人们的广泛关注。多孔泡沫金属表面和内部呈现大小不一的空洞，空洞可以是闭孔，也可以是互相沟通的开孔。在开孔的情况下，多孔泡沫金属材料的容重很小，可以浮在水中。由于其内部充满空气，泡沫金属的导热系数比金属的导热系数要小一个数量级以上。从强化换热的角度看，泡沫金属是一种十分理想的强化换热材料，而从保温的角度来说，泡沫金属又是一种有效的隔热介质。近年来，关于泡沫金属的传热与力学特性的研究已经受到了学术界和工程界的广泛关注。其中对泡沫金属内部的对流和相变换热的研究已有不少的报道[1―5], 但是对于在可再生能源利用中具有重要应用前景的沿泡沫金属表面外部对流换热、泡沫金属储能和强化能量交换的研究还少有报道。例如，在太阳能的被动利用技术中，太阳能通风壁（特朗伯墙）虽然已得到了广泛的应用，但是如何提高集热墙的畜热能力和提高集热墙表面与夹层空气间的对流换热一直是人们研究的热点。初步分析表明，采用泡沫金属层有可能达到上述目的。为此，本文将对空气流过泡沫金属表面的换热特性进行实验研究，为各类空冷器和新型太阳能通风壁的设计提供理论基础。

2.实验系统和实验方法

泡沫金属对流换热实验系统由泡沫金属试件、加热器、风机和测试系统所组成，如图1所示。泡沫金属试件是一个泡沫铝园盘，直径70 mm, 厚度为10 mm。泡沫铝为开孔结构，最大孔径（当量直径）为5 mm，最小孔径为1 mm, 空隙率为70%。泡沫金属试件被一环形电加热带所包围，外侧为绝热层，固定在一可转动的胶木板架上，泡沫金属试件可以位于垂直或水平位置，分别进行自然对流和强制对流实验。在泡沫金属试件的中心到外缘，分别埋设了四对直径为0.2 mm的镍铬－镍铝热电偶，用于测量试件的表面温度。空气平均流速由热线风速计在距试件表面中心上方3cm处测定。

实验时先对同样材料和尺寸的实心平园盘进行对流换热实验，然后在同样的加热与送风条件下对泡沫金属试件进行对流换热实验。经分析，温度测量误差不超过±0.5 °C, 空气流速的测量误差为±0.1 m/s, 加热功率由精度为1级的功率表测量，误差为1.0％。

∗本课题得到高等学校博士点基金资助 (2004 0286029)。

图1 实验系统

1．胶木板架 2. 泡沫金属试件3绝热层 4 加热器 5 热电偶 6 轴流风机 7.数据采集系统

3.实验结果和分析

3.1垂直放置时泡沫金属表面自然对流换热特性

图 2 是泡沫金属试件垂直放置时表面空气自然对流换热系数随表面平均温度的变化曲线。图上同时给出了实心平表面上的空气自然对流换热系数。由图可知，在垂直放置时泡沫金属表面的平均对流换热系数比平表面大约增大25％。无论是多孔表面还是平表面，空气自然对流换热系数都随壁面温度的升高而升高，并且具有相同的变化规律。

图2 垂直放置时泡沫金属表面的自然对流换热特性

( ∆多孔壁面，♦光表面，Gr=(0.5 ⎯ 3.5)× 106)

3.2水平放置时泡沫金属表面自然对流换热特性

图 3 是泡沫金属试件水平放置时表面空气自然对流换热系数随表面温度的变化曲线。由图可知，水平放置时泡沫金属表面空气自然对流换热的强化作用比垂直放置时更为明显，平均对流换热系数比平表面增大30％左右。同时，泡沫金属表面对流换热的强化作用随着

壁温的升高而增大。因此，对于电子设备冷却中大量采用的铝制散热器，如果将平肋面改为多孔表面，可望大大提高其散热能力。

图3水平放置时泡沫金属表面的自然对流换热特性

( ∆多孔壁面，♦光表面，Gr=(0.5 ⎯ 3.5)× 106)

3.3垂直放置时泡沫金属表面的强制对流换热特性

图4给出了空气沿垂直放置的泡沫金属表面流动时的强制对流换热实验结果。由图可见，在强制对流工况下，垂直放置的泡沫金属表面对空气对流换热的强化效果非常明显，达到一倍以上，并且随着气流速度的增加，强化换热的效果也有所增大，但是壁面温度的变化对换热系数的值几乎没有影响，这和实际情况是符合的。在实验的雷诺数范围内，换热系数主要取决于空气的流速。对于泡沫多孔壁面，气流速度的影响比光表面更为明显。

图4 垂直放置时泡沫金属表面的强制对流换热特性

多孔壁面，• V=1.4 m/s, Re=4.9×103;∇ V=1.8 m/s, Re=6.4×103

光表面♦ V=1.4 m/s, Re=4.9×103 ; V=1.8 m/s, Re=6.4×103

3.4水平放置时泡沫金属表面的强制对流换热特性

图5给出了空气沿水平放置的泡沫金属表面流动时强制对流换热的实验结果。由图可见，在强制对流工况下，水平放置的泡沫金属表面对空气对流换热也有强化作用但是这种强化作用比垂直放置时要小。壁面温度的变化对换热系数的值也没有影响。在实验的雷诺数范围内，泡沫金属表面的对流换热系数随空气流速的增加稍有增加，但光表面则几乎不变。