泡沫金属换热器压降与换热特性的实验研究＊

张国立 杨 立 孙丰瑞

（海军工程大学动力工程系 武汉 430033）

国内外对泡沫金属强化换热的研究通常要考虑阻力特性和传热特性.对于开孔泡沫金属，阻力特性和传热特性受多种因素的影响.Crosnier等［1］对孔径不同的泡沫金属的阻力特性进行了试验.Kim等［2］以水为冷却介质对泡沫金属翅片的摩擦阻力进行了研究，对铝金属泡沫翅片的换热性能与传统翅片做了比较.Salas等［3］最近对金属泡沫沿流动方向的厚度进行了研究.Lu等［4－5］对12种钢合金和铜合金金属泡沫中的空气冷却对流换热器进行了实验及理论研究.Boomsma等［6－7］以水为冷却介质，在强制对流的情况下，对不同的泡沫金属样品的换热情况进行了比较.Zhao等［8］在真空和常压环境下，对不锈钢泡沫金属的自然对流进行了实验和数值模拟分析.Phaviknmar等［9］也对高孔隙率泡沫金属进行了实验研究.W.Azzi等［10］对喷气发动机中应用泡沫金属的压降与传热特性进行了研究.本文将泡沫金属插入圆形管道内使其成为热量的载体，通过管道外的冷却水来降低流经泡沫金属的高温气体的温度，目前还未见有这样的实验研究.为了测试泡沫金属换热器的流动与换热特性，建立了一整套泡沫金属换热器排气降温的系统，对不同条件下泡沫金属换热器的阻力特性和换热特性进行了测试.最终得出了泡沫金属换热器的工作特点.

1 实验设备简介

本实验系统共分4个部分，包括：高温气体产生装置、泡沫金属换热器、冷却水系统、测量及数据采集系统.实验装置的整体布置如图1所示.实验中通过调节风机的流量，改变电加热器的加热量，改变泡沫金属在换热器内的布置这3种方法来达到不同的实验条件.

1.1 高温气体产生装置

实验中采用的风机型号为台湾东尼2281，功率为600W，最大直径2.8mm2.此风机有8个工作档，根据实验需求可以通过调节风机的档来达到不同的气体流速.电加热器的额定功率为4 kW，2个电加热器由10个电加热丝组成，电加热装置采用循环型的流道布置，气体流经此加热装置能够得到充分的加热，最高温度可达190℃.2台变压器的型号相同，调压范围为0～250V，最大电流为12A.通过调节变压器的电压可以可以改变电加热器的加热量，从而可以调节气体的温度，为了实验设备能够稳定运行，在调压过程中将加热后的气体温度控制在150～160℃.

1.2 泡沫金属换热器

泡沫金属换热器的材料为铝，两端用法兰连接.泡沫金属换热器的参数为：长205mm，内径为99mm，冷却水套的厚度为8mm，换热器内外壁的厚度均为2mm，法兰内径为99mm、外径为147mm、厚为7mm，法兰上均匀布置16个直径为6mm的圆孔用来连接前后端.在换热器内部插入孔密度为20PPI，空隙率为90%的泡沫铜30片，每片泡沫铜的直径为100mm、厚度为6mm.在泡沫金属换热器两端距离法兰30mm处个安装有直径为8mm的入水口和出水口.

1.3 冷却水系统

冷却水系统由管道、流量计和自来水组成.实验中采用自来水为冷却水源，直接向换热器中输水，水的流量及流速由自来水阀门控制.在自来水管道出口与换热器入水口之间加装一个金属管浮子流量计.流量计的参数为：精度2.5级，流量范围10～100L／h，工作压力小于等于6.3MPa，工作环境温度－40～65℃.

1.4 测量及数据采集系统

流速的测量采用加野6004热线式风速仪和笛形管测速计，动压差和静压差的测量采用皮托管.笛形管、动压差和静压差的数据通过准确度为0.5级的差压变送器来采集.温度的测量采用铜康铜T型热电偶.差压变送器及温度的数据采集使用美国Agilent Technologies公司生产的Agilent 34970A数据采集系统，采集的数据传输至电脑保存.

2 测试方法及数据处理

2.1 测试方法

为了比较泡沫金属对换热器阻力及换热特性的影响，将测试分为两组，一组为不加泡沫金属的换热器，另一组为泡沫金属换热器.

换热器的前端和后端都安装有延长段来保证流体进入和流出换热器时能够达到稳定.在换热器的入口侧沿直径由上至下均匀布置5个热电偶，出口侧沿直径由上至下均匀布置9个热电偶.在换热器的入水口和出水口各布置一个热电偶，换热器的前端延长段中间1 500mm处安装一个笛形管测速计，在前端和后端40mm处各安装一个皮托管，最后通过Agilent 34970A数据采集系统将数据记录至电脑.

调节风机的工作档得到5个不同的气流速度，调节2个变压器的电压使得换热器入口温度在一相对稳定的范围内，待风机和加热器工作一段时间后流动和换热达到稳定再开始数据采集.

2.2 实验数据处理

笛形管测速计是皮托管的一种，与普通的皮托管略有差异但测速原理是相同的，在进行实验前需对笛形管测速计进行标定.通过测量流体的总压p0和静压p，或压差来进行流速计算时，应做适当的修正.为此引入皮托管的校准系数

即实验进行前在换热器中没有泡沫金属的状态下利用加野6004热线式风速仪测量3组数据，同时在测量的过程中采集笛形管测速计的差压数据，利用式（1）计算出3组ζ然后取平均值，最终算得的ζ＝0.699.

差压变送器的量程为0～3 000Pa，数据采集器采集的电流信号为4～20mA，换算得数据为187.5Pa／mA.由以上数据及公式，笛形管、皮托管所测量出来的压差信号可通过计算得到所需的速度和压力差值.

3 结果分析

3.1 阻力性能分析

实验分别对未加入泡沫金属的换热器和泡沫金属换热器在不同流速下的阻力特性开展研究，记录了两种情况下换热器入口和出口的静压差和动压差，据此分析换热器的压降特性.由图2可见随着流速的增加2种形式的换热器的动压差、静压差都是逐渐增大的，且泡沫金属换热器的压降远大于无泡沫金属的换热器.

图2 压差随流速的变化图

开孔泡沫金属的内部具有连续贯通的三维多孔结构，孔的排列无规则，但孔密度和孔隙率是一定的.管内插入泡沫金属后气体的流动路线发生了极大的改变，流动空间迅速减小，致使气体流过换热器时产生极大的阻力，流体从中间流过时惯性阻力和形状阻力是产生压降的主要原因.由于阻力的作用，加入泡沫金属后流体在管内的速度分布由原来的近似抛物线分布变成速度较均匀的分布，管壁与管中心的速度分布差值变小，最终导致了较大的压力损失.分析图3还可知无论是泡沫金属换热器还是无泡沫金属的换热器，动压差的值均小于静压差的值，但同一形式的换热器动压差和静压差相差不大.从图中曲线发展的趋势可以看出在不同的流速下泡沫金属换热器的压降都比无泡沫金属时大很多，两者并不在一个数量级上，无泡沫金属的情况下压降几乎可以忽略.

图3 温度降随流速的变化图

3.2 换热性能分析

表1、表2列出了换热器在水流量为80L／h，室温为36℃的条件下各项运行参数.

表1 无泡沫金属时换热器的参数表

表2 泡沫金属换热器的参数表

由图3可见高温气体流经无泡沫金属的换热器时温降在7℃左右，且随着流速的增加气体流经换热器的降温效果是变差的；高温气体流经泡沫金属换热器时温降在18～26℃不等，随着流速的增加泡沫金属换热器的换热效果总体趋势也是变差的.从以往的实验及理论的研究中可以看到气体与固体间对流换热热阻非常大，增强气体与固体间的换热是非常困难的.可见在流速相近的情况下泡沫金属换热器的换热效果要比不加泡沫金属的换热器好很多.管内插入泡沫金属主要是以降低排气的温度为目的，泡沫金属中的传热过程由两部分构成：金属骨架本身的热传导以及金属表面间的对流换热.泡沫金属的加入提高了金属表面与流体间的对流换热，即通过提高结构的比表面积增加单位体积内的对流换热面积.同时由于泡沫金属的存在使得流体流经泡沫金属时速度变的较为均匀，从而改变了速度场与温度场的协同程度强化了换热.另外从图3中可以明显的看到泡沫金属换热器中第五个点的温降高于第四个点的温降，综合表2的数据可以得知第五个点的气体入口温度高于第四个点的气体入口温度，但2个点的速度相差不大，可见入口温度的高低对换热器的换热效果也有一定的影响，入口温度越高换热效果越好.

利用公式Q＝mcpΔt验证气体和水的换热量可知，气体的换热量略大于水的换热量.产生这种情况的主要原因是换热器的前后端都安装有延长段，其材料为铁，由于铁与铝之间的热阻很小热量传递很快，因此有一部分热量从换热器的两端散失了.

为了研究水流量对高温气体降温的影响，在流速为5.753m／s的情况下，分别测量了冷却水流量为80L／h和500L／h时的换热效果.由表2可知在冷却水流量为80L／h时气体进出口温差为18.696 6℃；测量得冷却水流量为500L／h时气体进出口温差为19.275 8℃；两者相差并不大.可见换热器水侧的换热已经十分充分了，再提高水的流量意义不大.

4 结 论

1）泡沫金属换热器用来降低高温气体的温度能起到很好的效果，气体的流速越低、温度越高降温效果越好.

2）泡沫金属换热器水侧的换热是十分充分的，增大水的流量意义不大.

3）泡沫金属换热器在提升换热效果的同时带来了较大的压力损失，在实际应用时要权衡利弊进行选择.

［1］Crosnier S，Riva R，Bador B，et al.Modelling of gas flow through metallic foamspresented［C］／／Alpexpo－Alpes Congrés，Grenobel，France：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］卢天键，何德平，陈常青，等.超轻多孔金属材料的多功能特性及研究［J］.力学进展，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.