泡沫金屬結(jié)構(gòu)對排水性能的影響

賴展程，胡海濤，莊大偉，丁國良

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泡沫金屬結(jié)構(gòu)對排水性能的影響

賴展程，胡海濤，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:泡沫金屬具有超大比表面積，應(yīng)用在除濕領(lǐng)域有很大潛力；保證泡沫金屬表面冷凝液滴的及時排出是開發(fā)泡沫金屬除濕換熱器的關(guān)鍵，因此必須明確泡沫金屬的排水性能。通過動態(tài)浸入實驗，研究了3種不同潤濕性下泡沫金屬結(jié)構(gòu)特性對排水性能的影響。研究結(jié)果表明:泡沫金屬的孔密度越大，孔隙率越低，重力方向高度越大，排水性越差；疏水改性下5～40PPI泡沫金屬的排水性能增強(qiáng)，殘余水量減少26%～60%；親水改性下5～10PPI泡沫金屬的排水性能增強(qiáng)，殘余水量最多降低23%，但15～40PPI泡沫金屬的排水性能減弱，殘余水量最多增大13%。

關(guān)鍵詞:除濕；泡沫金屬；結(jié)構(gòu)；排水；多孔介質(zhì)；流動

引 言

除濕是保證環(huán)境空氣品質(zhì)、抑制細(xì)菌滋生、防止物質(zhì)腐蝕霉變的重要手段[1]。目前應(yīng)用最廣泛的除濕方法是冷卻除濕[2-3]，即通過換熱器空氣側(cè)的翅片冷表面與濕空氣接觸，使?jié)窨諝庵兴魵庠诔崞砻婺Y(jié)析出。增強(qiáng)冷卻除濕效果的關(guān)鍵在于盡可能增大冷表面與空氣的接觸面積[4]。與傳統(tǒng)翅片管式換熱器相比，泡沫金屬具有超大比表面積[5-7]，應(yīng)用于除濕換熱器替代傳統(tǒng)“肋片”可明顯增加冷表面與濕空氣的接觸面積，從而有效地提高除濕效果[2]。

泡沫金屬纖維彎曲、傾斜且相互交叉連接，使得析出的凝結(jié)液極易附著并累積在纖維表面或纖維交叉處[8]。如果凝結(jié)液不能及時排出泡沫金屬，就會抑制除濕的持續(xù)高效進(jìn)行。采用泡沫金屬替代傳統(tǒng)“肋片”開發(fā)高效除濕換熱器，關(guān)鍵是保證泡沫金屬中濕空氣析出的凝結(jié)液的及時排出[9-10]。

不同結(jié)構(gòu)特性下，泡沫金屬纖維的粗細(xì)和纖維間的距離不同，導(dǎo)致冷凝液體排出的難易程度不同[8]。保證泡沫金屬中濕空氣冷凝液的及時排出，必須明確結(jié)構(gòu)對泡沫金屬排水性能的影響。

目前已有對于排水性能的研究主要針對翅片管換熱器[11-18]，關(guān)于泡沫金屬的排水性能，只涉及孔密度對排水性能影響的研究[19]。其結(jié)果表明，泡沫金屬的排水性能優(yōu)于翅片管換熱器[19]。已有的研究只分析了孔密度的影響，對于孔隙率、沿重力方向高度等因素沒有進(jìn)一步的分析，研究結(jié)果也只針對一種表面特性。到目前為止，對不同表面特性下結(jié)構(gòu)特性對泡沫金屬排水性能的影響沒有相關(guān)的研究報道，必須進(jìn)行實驗研究。

本文的目的是通過實驗得出不同結(jié)構(gòu)泡沫金屬的排水性能變化規(guī)律，分析不同材料及表面特性下結(jié)構(gòu)參數(shù)對泡沫金屬排水性能的影響。

1　實驗設(shè)計

1.1 實驗?zāi)康呐c實驗設(shè)計

研究排水特性必須實現(xiàn)對泡沫金屬穩(wěn)定殘余水量的測量。動態(tài)浸入實驗方法簡便，能高效迅速反映排水性能[13]。因此本文選用動態(tài)浸入法實時測量泡沫金屬樣件的殘余水量，通過殘余水量大小反映排水性能?；谶@一目的設(shè)計了泡沫金屬排水性測試實驗臺，如圖1所示。

實驗臺包括3個部分:①泡沫金屬浸入和脫離裝置；②泡沫金屬懸掛固定裝置；③泡沫金屬質(zhì)量動態(tài)測量裝置。

圖1　泡沫金屬排水性測量實驗臺Fig.1 Picture of experimental rig

泡沫金屬浸入和脫離裝置包括水槽、排水閥等部件，其中，水槽提供一定液位蒸餾水浸沒泡沫金屬樣件；排水閥用于排除水槽中的蒸餾水。懸掛固定裝置包括鋁合金支架、稱重傳感器、螺紋掛鉤等部件，其中，支架用于固定稱重傳感器；泡沫金屬懸掛在螺紋掛鉤，再連接到稱重傳感器。泡沫金屬質(zhì)量動態(tài)測量裝置包括穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)采集儀和計算機(jī)，實時測量稱重傳感器（量程200 g，誤差±0.1 g）測得的泡沫金屬及其上附著液體的總質(zhì)量。

1.2 實驗樣件

本實驗構(gòu)造了普通、親水和疏水3種不同特性表面，使用蒸餾水在表面上的前進(jìn)接觸角和后退接觸角表征表面特性。

泡沫金屬的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)為孔密度，孔隙率和重力方向高度。泡沫金屬的孔隙率選取為85%、90% 和95%；孔密度選取為5、10、15、20和40PPI；泡沫金屬高度選取為40、60、80、100和140 mm。

表面改性涂層的制備通過化學(xué)腐蝕法和分子自組裝技術(shù)實現(xiàn)。其中，親水表面改性使用堿輔助氧化法形成氧化銅親水層實現(xiàn)；疏水表面改性使用正十二硫醇分子基團(tuán)自組裝技術(shù)實現(xiàn)。表面改性前后的泡沫金屬如圖2所示。改性后的泡沫金屬纖維表面的前進(jìn)接觸角和后退接觸角如表1所示。

圖2　表面改性的泡沫金屬樣件Fig. 2 Picture of metal foam test samples

表1　泡沫金屬纖維表面的接觸角Table 1 Contract angle of tested metal foam

1.3 實驗步驟

詳細(xì)的實驗操作步驟如下:

（1）將泡沫金屬樣件懸掛在螺紋掛鉤，連接到壓力傳感器。此時水槽內(nèi)無蒸餾水。由稱重傳感器測量泡沫金屬樣件的自身質(zhì)量M1。

（2）往水槽內(nèi)注入蒸餾水，直到蒸餾水位浸沒泡沫金屬樣件。使用超聲波振蕩去除泡沫金屬樣件上的氣泡。

1.4 實驗數(shù)據(jù)處理及誤差分析

本文需要得到的是泡沫金屬樣件在動態(tài)浸入實驗中的表面殘余水量。由實驗步驟可知，兩次測得的質(zhì)量差 M2—M1即單塊泡沫金屬上的殘余水量。泡沫金屬樣件單位體積殘余水量為

將改性后與改性前的殘余水量之比定義為殘余水量比β，用來衡量表面特性對排水性能的影響，計算式為

由Moffat方法[20]可求得，單位體積殘余水量的最大誤差為10%；β的最大誤差為20%。

2　結(jié)果與討論

2.1 孔密度對排水性能影響的實驗結(jié)果與分析

不同表面特性下孔密度對排水性能的影響如圖3所示。

由圖3(a)可知，不同表面下殘余水量都隨孔密度增大而增大；5～40PPI，普通表面殘余水量增大了500%，親水表面增大了733%，疏水表面增大了371%?？酌芏葹?PPI時，親水和疏水表面的殘余水量均小于普通表面。原因在于5PPI泡沫金屬纖維直徑較粗、纖維間距較大，殘余液體在普通表面形成較大的液滴；在親水表面形成液膜，容易流走，殘余水量減少；在疏水表面形成小液滴，滾動性增強(qiáng)，也容易滾動排出泡沫金屬。隨著孔密度的增大，纖維直徑減小、纖維間距減小，疏水表面小液滴更易流走，而親水表面的液膜由于纖維間距減小容易相互聯(lián)結(jié)，導(dǎo)致在孔密度為40PPI時親水表面的殘余水量大于普通表面和疏水表面。

與 Han等[19]對泡沫鋁的排水性實驗數(shù)據(jù)的對比如圖3(b)所示。由圖可知，泡沫鋁的殘余水量隨孔密度的增大而增大，泡沫銅的排水性好于泡沫鋁。

飼料投喂有兩種投喂方式，即干法投喂和濕法投喂。在投喂過程中可以先用干法投喂，直接使用高檔加州鱸膨化飼料直接投喂，人工定點在攝食臺附近干撒。濕法投喂，需要設(shè)置飼料臺，一般使用半圓的網(wǎng)池用竹竿懸掛在池塘離水面10～15cm深度處，將膨化飼料添加適當(dāng)水分，制備成面團(tuán)狀態(tài)，每團(tuán)50～100g放置于投料臺，讓魚苗自由攝食，這種濕法投喂主要是在下午喂完最后一餐后進(jìn)行的，因為夜晚魚苗還會饑餓，若饑餓找不到食物吃而發(fā)生殘食，魚苗的成活率會低。

圖3　不同孔密度的泡沫金屬的殘余水量Fig.3 Water retention of metal foams with different pore density

由圖3(c)可知，殘余水量比β在親水改性時隨著孔密度的增大從0.77增大到1.13，在疏水改性時隨著孔密度的增大從0.54下降到0.4。β值的變化說明隨著孔密度的增大，疏水改性對排水性能的強(qiáng)化效果增強(qiáng)，而親水改性對排水性能的強(qiáng)化效果減弱，高PPI下，親水改性惡化排水性能。該現(xiàn)象的原因在于表面改性改變了殘余液滴的形態(tài):高PPI下，親水改性表面的殘余液體以液橋的形式殘留在泡沫金屬纖維之間，不能使凝結(jié)液迅速排出；疏水改性表面的殘余液體則以小液滴的形式附著在纖維表面和交叉點上，促進(jìn)了凝結(jié)液的排出。

2.2 孔隙率對排水性能影響的實驗結(jié)果與分析

不同表面特性下孔隙率對排水性能的影響如圖4所示。

圖4　不同孔隙率的泡沫金屬的殘余水量Fig.4 Water retention of metal foams with different porosity

由圖4(a)可知，3種潤濕性表面的泡沫金屬的殘余水量都隨孔隙率增大而減?。豢紫堵蕪?5%變化到95%時，普通表面殘余水量減少了18%，親水表面減少了21%，疏水表面減少了18%。這一現(xiàn)象的原因在于隨著孔隙率增大，泡沫金屬纖維直徑減小、比表面積減小，導(dǎo)致殘余水量減小。

由圖4(b)可知，隨著孔隙率從85%增大95%，疏水改性的殘余水量比β從0.67下降到0.45，疏水改性對排水性能的強(qiáng)化作用增強(qiáng)；親水改性的β從1.06下降到1.03，親水改性對排水性能的惡化作用減弱。疏水改性使殘余液滴直徑更小，孔隙率越高，泡沫金屬纖維直徑越小，液滴就越難以附著，因此孔隙率增大時疏水改性的效果變好。親水改性使殘余液體形成液膜和液橋，纖維直徑減小使液橋更難跨接在不同纖維之間，因此親水改性的惡化效果減弱。

2.3 高度對排水性能影響的實驗結(jié)果與分析

高度對排水性能的影響如圖5所示。

圖5　不同高度的泡沫金屬樣件的殘余水量Fig.5 Water retention of metal foams with different height

由圖5(a)可知，3種表面特性下殘余水量都隨重力方向高度的增大而增大，但隨高度增大的斜率不同。對于親水改性和普通表面泡沫金屬，殘余水量隨高度的變化接近指數(shù)變化。對于疏水改性表面泡沫金屬，殘余水量隨高度的變化接近于線性變化。

這一現(xiàn)象的原因在于不同表面特性下殘余水的形態(tài)不同。親水和常規(guī)表面特性下，殘余水主要以液膜和液橋的形式存在，隨著高度的增加，泡沫金屬下部形成的液橋迅速增多，殘余水量近似于指數(shù)增大；而在疏水表面特性下，殘余水主要以金屬纖維表面和纖維連接處附著的小液滴形式存在，尺寸較大的液滴能迅速滾落，脫離樣件，因此殘余水量近似于線性增大。

由圖5(b)可知，孔密度為15PPI時，親水改性的殘余水量比β近似于1，改性對排水性幾乎沒有影響；而疏水改性的β從0.77下降到0.53，說明對排水性的增強(qiáng)效果隨著高度的增大而增強(qiáng)。排水性能增強(qiáng)的原因在于疏水改性后殘余水形成的小液滴附著在表面上，附著量只和表面面積有關(guān)。普通表面的殘余水為液膜和液橋，其附著量與表面積和高度都有關(guān)，高度增大時液橋迅速增多。因此對于重力方向高度較大的樣件，疏水表面的改性效果更好。

3　結(jié) 論

（1）3種表面特性下，泡沫金屬孔密度越大，孔隙率越低，沿重力方向高度越大，排水性都越差。

（2）在不同結(jié)構(gòu)下親水改性對排水性能的影響不同。5PPI下，泡沫金屬殘余水量減小了23%，40PPI下殘余水量增大了13%，親水改性在低孔密度下強(qiáng)化了排水性，在高孔密度下惡化了排水性。

（3）在不同結(jié)構(gòu)下疏水改性都提高了泡沫金屬的排水性，疏水改性后殘余水量減少24%～60%。

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2015-12-24收到初稿，2016-04-09收到修改稿。

聯(lián)系人:胡海濤。第一作者:賴展程（1994—），男，碩士研究生。

Received date: 2015-12-24.

中圖分類號:TK 124

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0438—1157（2016）07—2756—05

DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20151958 10.11949/j.issn.0438-1157.20141657. WENG X M, HU H T, ZHUANG D W, et al. Analysis of influence factors for heat transfer and pressure drop characteristics of moist air in metal foams during dehumidifying process [J].CIESC Journal, 2015, 66(5): 1649-1655. 10.11949/j.issn.0438-1157.20141657.

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

Influence of structure on drainage performance of metal foam

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

Abstract:Metal foam has very large specific surface area, and it has great potential in dehumidification. The key for designing metal foam heat exchanger for dehumidification is to promote the drainage performance of metal foam. The influence of structure factors on drainage performance of metal foam with three different surface wettability was investigated by dynamic dip test in this study. The results showed that, the drainage performance was deteriorated with the increase of pore density or height and promoted with the increase of porosity. For hydrophobic samples, the drainage performance of 5—40PPI metal foams was promoted, while water retention was reduced by 26%—60%. For hydrophilic samples, the drainage performance of 5—10PPI metal foam was promoted with the maximum reduction of water retention of 23%, while the drainage performance of 15—40PPI metal foam was deteriorated with the maximum increment of water retention of 13%.

Key words:dehumidification; metal foam; structure; drainage; porous media; flow