Propriétés de transfert de chaleur des mousses métalliques à cellules ouvertes

La mousse métallique est un matériau composite multifonctionnel dont la matrice métallique présente un nombre et une taille de pores spécifiques, ainsi qu'une porosité spécifique. Elle présente des caractéristiques structurelles uniques, telles qu'une grande surface spécifique, une porosité importante et une faible densité. Elle possède également des propriétés composites multifonctionnelles, telles que la dissipation thermique (à cellules ouvertes), l'isolation thermique (à cellules fermées), l'absorption acoustique et l'amortissement des vibrations, la légèreté, une résistance spécifique élevée et un blindage électromagnétique. C'est un matériau structurel et fonctionnel intégrant les propriétés de la thermophysique.Sics, mécanique, acoustique et électricité.
Pourmousse métallique à cellules ouvertesSa porosité élevée et sa structure maillée tridimensionnelle complexe lui confèrent une excellente dissipation thermique et un excellent rendement de transfert thermique, offrant de vastes perspectives d'application dans le domaine des échangeurs de chaleur compacts, du refroidissement des dispositifs microélectroniques, etc. L'état d'avancement des recherches sur les propriétés de transfert thermique des mousses métalliques à cellules ouvertes est étudié et analysé dans le cadre des applications des échangeurs de chaleur compacts.
mousse métalliquepour échangeurs de chaleur compacts
Les propriétés améliorées de transfert thermique de la mousse métallique sont largement reconnues. Lorsque le gaz ou le liquide s'écoule à travers les trous, la chaleur est transférée et échangée par convection forcée entre la mousse métallique à cellules ouvertes et le fluide. D'une part, la structure maillée tridimensionnelle complexe de la mousse métallique favorise l'effet non linéaire du fluide et renforce la turbulence, favorisant ainsi la surface solide du fluide lors d'un transfert thermique local important. D'autre part, la grande surface spécifique de la mousse métallique est un facteur important de ses bonnes performances de transfert thermique. Actuellement, l'étude des performances de transfert de la mousse métallique pour les échangeurs de chaleur compacts se concentre principalement sur le transfert thermique amélioré côté air et côté réfrigérant.
Pour améliorer les propriétés de transfert thermique côté air de la mousse métallique, celle-ci est utilisée à la place des ailettes pour la dissipation thermique dans les applications où des ailettes traditionnelles sont utilisées, telles que le refroidissement de composants électroniques, les échangeurs de chaleur à plaques et à ailettes. Dans les échangeurs de chaleur compacts, les propriétés de transfert thermique par écoulement sont actuellement étudiées principalement pour les mousses métalliques de cuivre et d'aluminium dont la densité de pores est généralement inférieure à 40 % et la porosité supérieure ou égale à 70 %.
À partir d'une certaine taille de pores, le taux de transfert thermique augmente avec la porosité et devient prédominant. À l'inverse, pour une certaine porosité, plus la densité des pores est élevée, plus l'efficacité du transfert thermique est faible, ce qui peut être dû à une taille de pores excessive. Les paramètres de structure des pores (porosité, densité et diamètre) sont les principaux facteurs affectant les performances de transfert thermique.mousses métalliquesPour l'application de la mousse métallique au refroidissement des composants électroniques, les effets de la porosité et du diamètre des pores de la mousse métallique sur la dissipation thermique ont été étudiés par des expériences orthogonales. Les résultats montrent qu'en convection forcée, la performance de dissipation thermique de la mousse métallique est liée à la structure des pores, la taille des pores ayant la plus grande influence.
Des résultats de recherche montrent que, bien que la mousse métallique joue un rôle important dans l'amélioration du transfert de chaleur, l'augmentation de la résistance n'est pas négligeable, parallèlement à l'amélioration des performances de l'échangeur de chaleur. L'efficacité du transfert de chaleur de la mousse métallique est significativement améliorée avec une perte de charge réduite, et cette perte augmente avec l'augmentation de la densité des pores. Les résultats de cette étude sont instructifs pour la conception et la fabrication d'échangeurs de chaleur légers et compacts à haut rendement. Une étude expérimentale portant sur des échangeurs de chaleur en mousse métallique et des échangeurs de chaleur à ailettes de même taille a été menée. Il a été constaté que, dans les mêmes conditions d'essai, l'échangeur de chaleur en mousse métallique était moins efficace que l'échangeur à ailettes, et que la perte de charge et le coefficient de frottement étaient supérieurs à ceux de l'échangeur à ailettes. La mousse métallique poreuse a un effet de renforcement évident sur le transfert de chaleur par convection, effet qui diminue avec l'augmentation du nombre de Reynolds ; la mousse métallique poreuse augmente évidemment la résistance à l'écoulement du fluide, mais le facteur de multiplication de la résistance diminue avec l'augmentation du nombre de Reynolds. On peut observer un renforcement global du transfert de chaleur par convection et une augmentation de la perte de charge dans l'écoulement de deux aspects,métal mousse poreuxIl est plus adapté aux fluides à faible débit. La mousse métallique améliore le transfert thermique côté air, mais ses performances de transfert thermique sont améliorées, tout en augmentant la résistance et en offrant des performances globales inférieures à celles des ailettes traditionnelles. Des études montrent que la mousse métallique est adaptée aux faibles débits. Par conséquent, son transfert thermique côté air doit être adapté aux applications et ne peut se contenter de recherches alternatives à la dissipation thermique traditionnelle par ailettes.

La mousse métallique peut également contribuer à améliorer le transfert thermique du réfrigérant par changement de phase. Les résultats montrent qu'avec une porosité définie, les performances de transfert thermique doublent lorsque la densité des pores diminue de 20 à 40 PPI et que leur taille diminue, en raison d'une structure cellulaire plus fine, d'une surface plus importante et d'une perturbation plus intense. À débit élevé, le coefficient de transfert thermique à l'ébullition augmente lentement et régulièrement avec la siccité. Avec l'augmentation progressive de la pression de service, le phénomène de transfert thermique à l'ébullition à faible siccité est similaire à celui de l'ébullition au sol : le transfert thermique s'intensifie avec l'augmentation de la pression, mais cette augmentation de la pression joue un rôle dans une certaine mesure dans le transfert thermique à l'ébullition. Le coefficient de transfert thermique des tubes en mousse de cuivre est environ trois fois supérieur à celui des tubes légers. Dans le cas d'un réfrigérant pur, la présence de mousse métallique améliore le flux de transfert thermique à l'ébullition, augmentant le coefficient de transfert thermique jusqu'à 185 %. Dans le cas de conditions contenant de l'huile, l'effet de la mousse métallique pour renforcer le transfert de chaleur est affaibli ; dans les mêmes conditions, par rapport à la mousse métallique 5PPI, la mousse métallique 10PPI peut augmenter le coefficient de transfert de chaleur jusqu'à 0,6 fois, et une taille de pores plus petite peut améliorer le coefficient de transfert de chaleur d'ébullition.
Les effets du débit massique et de la siccité du fluide diphasique sur la perte de charge due à la condensation et le coefficient de transfert thermique ont été analysés en profondeur. Les résultats montrent que la perte de charge du tube annulaire en mousse métallique à paroi interne est bien supérieure à celle du tube léger, et qu'elle augmente rapidement et de manière non linéaire avec l'augmentation du débit massique et de la siccité. Le coefficient de transfert thermique dû à la condensation du tube annulaire en mousse métallique à paroi interne est supérieur à celui du tube léger, et augmente avec l'augmentation du débit massique et de la siccité. Le coefficient de transfert thermique dû à la condensation de ce type de tube renforcé est environ deux fois supérieur à celui du tube léger. En raison de son effet capillaire évident, la densité de pores du tube renforcé de 130 PPI est optimale ; pour le tube léger, elle est 3,06 fois supérieure. Le tube de 40 PPI présente une structure similaire à celle du tube à nervures basses pour le renforcement.
Dans l'échangeur de chaleur compact,mousse métalliqueL'étude a montré que les caractéristiques de résistance à la croissance des mousses métalliques sont également très importantes. Il est donc nécessaire d'évaluer les performances globales de ces mousses métalliques dans les échangeurs de chaleur compacts. De plus, en présence de lubrifiants contenant de l'huile, les mousses métalliques peuvent détériorer le transfert de chaleur. L'amélioration du transfert de chaleur des mousses métalliques pour le transfert de chaleur par changement de phase des réfrigérants doit être prise en compte compte tenu des effets des lubrifiants.