孔密度對泡沫金屬內(nèi)濕空氣的換熱與壓降特性影響分析

翁曉敏，胡海濤，賴展程，莊大偉，丁國良（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

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孔密度對泡沫金屬內(nèi)濕空氣的換熱與壓降特性影響分析

翁曉敏，胡海濤，賴展程，莊大偉，丁國良
（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

摘要：通過實驗研究，得到不同孔密度的泡沫金屬內(nèi)濕空氣的換熱和壓降特性，并對泡沫金屬換熱器綜合性能進行了分析。測試樣件為泡沫銅，孔密度為5～40 PPI（pores per inch），孔隙率為95%。研究結(jié)果表明，由于凝結(jié)水的存在，泡沫金屬內(nèi)的濕空氣傳熱系數(shù)隨著孔密度的增大先增大后減小，孔密度為15 PPI時達到最大值；壓降隨著孔密度的增大而增大，且大于20 PPI時壓降增大更明顯。綜合考慮傳熱系數(shù)與壓降因素，泡沫金屬孔密度為15 PPI時綜合性能最佳。

關(guān)鍵詞：泡沫金屬；孔密度；換熱；壓降；濕空氣

2015-11-13收到初稿，2016-03-04收到修改稿。

聯(lián)系人：胡海濤。第一作者：翁曉敏（1990—），女，碩士研究生。

Received date: 2015-11-13.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51576122) and the Natural Science Foundation of Shanghai (15ZR1422000).

引　言

開孔泡沫金屬具有多孔結(jié)構(gòu)，其有較大的比表面積和熱導(dǎo)率[1-2]、良好的流體擾流等性能，使其在緊湊式換熱器上具有良好的應(yīng)用前景[3]。與常規(guī)翅片相比，泡沫金屬內(nèi)析濕工況下的換熱特性比翅片高67%～82%[4]；因此，采用泡沫金屬替代常規(guī)翅片，有望提高濕空氣析濕工況下的換熱特性。

泡沫金屬結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致泡沫金屬上液滴的成核點[5]、比表面積和液滴在表面上的附著情況不同，從而影響濕空氣析濕過程中的換熱與壓降特性。為了對泡沫金屬換熱器進行優(yōu)化設(shè)計，必須了解泡沫金屬結(jié)構(gòu)對濕空氣換熱與壓降特性的影響規(guī)律。

已有關(guān)于析濕工況下濕空氣熱質(zhì)傳遞特性的研究，主要集中為翅片管換熱器[6-7]。對于泡沫金屬的研究，主要有泡沫金屬表面上凝結(jié)液滴行為的數(shù)值模擬[8]和運行工況對熱質(zhì)傳遞特性影響的實驗研究[4-5]。已有研究表明，隨著濕度、溫度和速度的增大，換熱量和壓降均增大，高PPI的泡沫金屬增長更快[5]。到目前為止，沒有關(guān)于濕空氣下泡沫金屬結(jié)構(gòu)對換熱和壓降特性的影響研究報道。

已有關(guān)于泡沫金屬結(jié)構(gòu)對空氣側(cè)性能的影響，主要集中為干空氣對流換熱[9-11]。研究結(jié)果表明，干空氣對流換熱性能和壓降隨著泡沫金屬孔密度和孔隙率的增大而增大[12-14]。在濕工況下，冷凝水會附著聚集在泡沫金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)[4-5]，導(dǎo)致泡沫金屬內(nèi)熱質(zhì)傳遞特性與干工況存在很大差異。因此，需要對析濕工況下泡沫金屬內(nèi)的換熱和壓降特性開展實驗研究。

本文的目的是通過實驗研究，得出在濕工況下泡沫金屬孔密度對換熱和壓降性能的影響規(guī)律，為換熱器的設(shè)計提供參考。

1　實驗裝置及測試對象

實驗系統(tǒng)包括空氣側(cè)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖1所示。空氣側(cè)中，經(jīng)過壓縮不同濕度要求的比例混合成濕空氣吹過測試樣件。進口和出口的一些參數(shù)通過Aligent數(shù)據(jù)采集儀采集并記錄。具體的實驗裝置介紹見文獻[4-5]。

圖1　實驗裝置Fig.1　Schematic diagram of experimental rig1—air compressor; 2—air condition box; 3—electrical heater for air; 4—humidifier; 5—electrical heater; 6—water filler; 7—power regulator; 8—volume flow meter; 9—visualization section; 10—air deflector; 11—temperature and humidity transducer; 12—test sample; 13—differential pressure transducer; 14—thermocouple; 15—micro water pump; 16—magnetic flow meter; 17—thermostatic water tank; 18—flow rate control valve; 19—connecting flange

測試樣件為泡沫銅。不同的孔密度PPI的值分別為5、10、15、20、40。通過排水法測量樣件的孔隙率，取樣件孔隙率近似為95%的樣件進行實驗研究。樣件如圖2所示。

圖2　實驗樣件Fig.2　Metal foam test samples

2　實驗數(shù)據(jù)處理

濕空氣在泡沫金屬內(nèi)的流動特性包括換熱和壓降兩部分。其中壓降通過樣件兩側(cè)連接的壓差傳感器直接測得。換熱需要通過測量進出口的溫度、濕度、壓力等參數(shù)進行求解。

換熱器的換熱量在數(shù)據(jù)處理中取空氣側(cè)換熱量Qa與冷卻水側(cè)換熱量Qw的平均值。

根據(jù)ASHRAE33—78[12]中的要求，有效數(shù)據(jù)必須滿足|Qw?Q|/Q≤0.05。水側(cè)換熱和空氣側(cè)的換熱公式可以參看文獻[13]?？諝鈧?cè)的傳熱系數(shù)可以由式(2)得到，水側(cè)的傳熱系數(shù)可由式(3)～式(5)得到[14-15]。

式中，Ta、Tw分別為空氣側(cè)和水側(cè)的平均溫度；ha、hw分別為空氣側(cè)和水側(cè)的傳熱系數(shù)；k為銅板的熱導(dǎo)率；δ為銅板厚度；Aw1、Ac、Aw2分別為空氣側(cè)的有效換熱面積、銅板換熱面積和水側(cè)有效換熱面積；Nuw為水側(cè)的Nusselt數(shù)；λ為水側(cè)的熱導(dǎo)率；l為水側(cè)的有效長度；fw為水側(cè)的摩擦因子；Rew為Reynolds數(shù)；Prw為Prandtl數(shù)。

總的換熱因子j和阻力因子f的計算公式如下

式中，Nua、Rea、Pra分別為空氣側(cè)Nusselt數(shù)、空氣側(cè)Reynolds數(shù)和空氣側(cè)Prandtl數(shù)；u為濕空氣速度；ρ為濕空氣密度；Δp為空氣側(cè)樣件兩端的壓降；A為通道有效面積；L為樣件有效長度。

根據(jù)實驗直接測量參數(shù)的誤差可以算出實驗的間接測量的誤差。由Moffat[16]方法分析得實驗臺的誤差，換熱量的誤差為±13.5%，壓差的誤差為±3%[4]。

3　實驗結(jié)果與分析

3.1不同濕度下PPI對換熱和壓降特性的影響

圖3　不同濕度下PPI對換熱和壓降特性的影響Fig.3　Effect of PPI on heat transfer and pressure drop characteristics under different inlet air humidity conditions

圖4　不同速度下PPI對換熱和壓降特性的影響Fig.4　Effect of PPI on heat transfer and pressure drop characteristics under different inlet air velocity conditions

不同濕度下，濕空氣傳熱系數(shù)和壓降隨PPI的變化關(guān)系如圖3所示。從圖3(a)中可知，隨著PPI的增大，傳熱系數(shù)先增大后減小，15 PPI時達到最大值。表面粗糙度越大，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，成核點越多，越有利于濕空氣的凝結(jié)，產(chǎn)生較大的潛熱換熱[17]。但是孔徑越小，越不利于冷凝水的排出，液滴的附著會抑制顯熱換熱。因此，存在一個最佳PPI值，使得傳熱系數(shù)存在最大值。15 PPI的換熱面積略小于20 PPI的換熱面積，但是15 PPI具有較大的孔徑，在濕度較大的情況下，潛熱換熱占主導(dǎo)地位，15 PPI泡沫銅的結(jié)構(gòu)更有利于凝結(jié)水的不斷生成和排出，使換熱量和傳熱系數(shù)增大。

隨著PPI的增大，泡沫金屬纖維的結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，流動阻力隨之增大，使壓降變大。當(dāng)PPI大于20時，壓降隨PPI的增長趨勢更明顯。

3.2不同速度下PPI對換熱和壓降特性的影響

不同流速下，濕空氣傳熱系數(shù)和壓降隨PPI的變化關(guān)系如圖4所示。從圖4(a)可知，在析濕工況下，15 PPI具有較好的換熱能力，流速越大，換熱能力越好。由圖4(b)可知，隨著流速的增大，壓降增大；且PPI為20時，壓降隨PPI增大急劇增大，增長速度明顯高于低PPI情況。

3.3不同溫度下PPI對換熱和壓降特性的影響

不同溫度下，濕空氣傳熱系數(shù)和壓降隨PPI的變化關(guān)系如圖5所示。在不同進口溫度下，15 PPI的換熱能力最好，換熱能力最大提高了25%～32%。隨著空氣進口溫度的升高，空氣與冷卻水之間的溫差增大，換熱量增大；換熱量的增大程度大于溫差的增大，使得換熱量和換熱溫差的比值增大，即傳熱系數(shù)增大。隨著溫度的上升，壓降增大，溫度對壓降的影響相比于相對濕度、速度等其他因素最小。

圖5　不同溫度下泡沫金屬PPI對換熱和壓降特性的影響Fig.5　Effect of PPI on heat transfer and pressure drop characteristics under different inlet air temperature conditions

圖6　不同冷卻水溫度下泡沫金屬PPI對換熱和壓降特性的影響Fig.6　Effect of PPI on heat transfer and pressure drop characteristics under different water temperature conditions

3.4不同冷卻水溫度下PPI對換熱和壓降特性的影響

不同的冷卻水溫度下，濕空氣在泡沫金屬內(nèi)的傳熱系數(shù)和壓降隨著PPI的變化如圖6所示。冷卻水溫度越高，傳熱系數(shù)越大。這是由于冷卻水溫度高，濕空氣與冷卻水的溫差變小，濕空氣進出口溫差變小，導(dǎo)致?lián)Q熱量減小；但是，濕空氣與冷卻水的溫差減小量大于換熱量的減小量，使得換熱量和溫度差的比值增大，即傳熱系數(shù)增大。

不同的冷卻水溫度下，隨著PPI的增大，傳熱系數(shù)均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在15 PPI處達到最大。15 PPI的傳熱系數(shù)比5 PPI的傳熱系數(shù)最大提高了27.5%，比40 PPI最大提高了22.7%。

3.5泡沫金屬結(jié)構(gòu)對析濕工況下綜合性能的影響

基于熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)的評價方法同時考慮熱量傳遞的數(shù)量、質(zhì)量和流阻3方面的因素[18]。本文采用j/f1/3作為綜合性能評價指標，定性地判斷在相同泵功條件下?lián)Q熱能力的增加是否大于阻力的增加[18]。通過對比不同PPI的能效指標，得到換熱能效最佳的PPI值。

圖7為不同濕度工況下，孔密度從5 PPI增大到40 PPI時j/f1/3綜合性能評價指標的變化規(guī)律。從圖7可知，隨著濕度的提高，綜合性能評價指標先增大后減小，在孔密度為15 PPI時達到最大。這是由于，15 PPI時傳熱系數(shù)達到最大，而壓降小于20 PPI和40 PPI的壓降。

圖7　不同濕度工況下泡沫金屬綜合性能評價Fig.7　Comprehensive performance evaluation of metal foam under different humidity conditions

4　結(jié)　論

本文針對孔密度為5～40 PPI的泡沫金屬，在不同的濕度、溫度、速度和冷卻水溫度條件下進行換熱和壓降的性能實驗。結(jié)果表明，在不同濕度、溫度、速度和冷卻水溫度的工況下，隨著PPI的增大，傳熱系數(shù)先增大后減小，在15 PPI時傳熱系數(shù)最大；壓降隨著PPI的增大而增大。

采用j/f1/3綜合性能評價指標對不同泡沫金屬的結(jié)構(gòu)在不同工況下進行評價。隨著PPI的增大，綜合性能評價指標先增大后減小，孔密度為15 PPI時，泡沫金屬內(nèi)析濕工況下的綜合性能最佳。

符號說明

A——面積，m2

f——摩擦因子

h——傳熱系數(shù)，W·m?2·K?1

j——換熱因子

k——熱導(dǎo)率，W·m?1·K?1

Nu——Nusselt數(shù)

Re——Reynolds數(shù)

PPI——孔密度

Pr——Prandtl數(shù)

Q——換熱量，W

T——溫度，K

u——速度，m·s?1

δ——銅板厚，m

λ——水側(cè)的熱導(dǎo)率，W·m?1·K?1

ρ——密度，kg·m?3

下角標

a——空氣（氣相）

c——銅板

w——水側(cè)（液相）

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Analysis of influence of pore density on heat transfer and pressure drop characteristics of wet air in metal foams

WENG Xiaomin, HU Haitao, LAI Zhancheng, ZHUANG Dawei, DING Guoliang
(Institute of Refrigeration & Cryogenics Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Abstract:The heat transfer and pressure drop characteristics of wet air in metal foams with different pore density were experimentally investigated, and the comprehensive performance of metal foam heat exchangers was analyzed. The test sample is copper foam, the PPI value of the tested metal foam covers 5—40 and the porosity is 95%. The results showed that the heat transfer coefficient increased initially and then decreased with the increase of PPI values due to the presence of the condense water. It reached up to the maximum value as the pore density was 15 PPI. The pressure drop increased with increasing pore density and the increment was more obvious as PPI value was higher than 20. The comprehensive performance was the best for the metal foam with 15 PPI by considering both the heat transfer coefficient and pressure drop.

Key words:metal foam; pore density; heat transfer; pressure drop; wet air

中圖分類號：TK 124

文獻標志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）06—2218—06

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151712

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（51576122）；上海市自然科學(xué)基金項目（15ZR1422000）。

Corresponding author:HU Haitao, huhaitao2001@sjtu.edu.cn