泡沫金屬換熱器壓降與換熱特性的實驗研究＊

張國立 楊 立 孫豐瑞

（海軍工程大學動力工程系 武漢 430033）

國內外對泡沫金屬強化換熱的研究通常要考慮阻力特性和傳熱特性.對于開孔泡沫金屬，阻力特性和傳熱特性受多種因素的影響.Crosnier等［1］對孔徑不同的泡沫金屬的阻力特性進行了試驗.Kim等［2］以水為冷卻介質對泡沫金屬翅片的摩擦阻力進行了研究，對鋁金屬泡沫翅片的換熱性能與傳統翅片做了比較.Salas等［3］最近對金屬泡沫沿流動方向的厚度進行了研究.Lu等［4－5］對12種鋼合金和銅合金金屬泡沫中的空氣冷卻對流換熱器進行了實驗及理論研究.Boomsma等［6－7］以水為冷卻介質，在強制對流的情況下，對不同的泡沫金屬樣品的換熱情況進行了比較.Zhao等［8］在真空和常壓環境下，對不銹鋼泡沫金屬的自然對流進行了實驗和數值模擬分析.Phaviknmar等［9］也對高孔隙率泡沫金屬進行了實驗研究.W.Azzi等［10］對噴氣發動機中應用泡沫金屬的壓降與傳熱特性進行了研究.本文將泡沫金屬插入圓形管道內使其成為熱量的載體，通過管道外的冷卻水來降低流經泡沫金屬的高溫氣體的溫度，目前還未見有這樣的實驗研究.為了測試泡沫金屬換熱器的流動與換熱特性，建立了一整套泡沫金屬換熱器排氣降溫的系統，對不同條件下泡沫金屬換熱器的阻力特性和換熱特性進行了測試.最終得出了泡沫金屬換熱器的工作特點.

1 實驗設備簡介

本實驗系統共分4個部分，包括：高溫氣體產生裝置、泡沫金屬換熱器、冷卻水系統、測量及數據采集系統.實驗裝置的整體布置如圖1所示.實驗中通過調節風機的流量，改變電加熱器的加熱量，改變泡沫金屬在換熱器內的布置這3種方法來達到不同的實驗條件.

1.1 高溫氣體產生裝置

實驗中采用的風機型號為臺灣東尼2281，功率為600W，最大直徑2.8mm2.此風機有8個工作檔，根據實驗需求可以通過調節風機的檔來達到不同的氣體流速.電加熱器的額定功率為4 kW，2個電加熱器由10個電加熱絲組成，電加熱裝置采用循環型的流道布置，氣體流經此加熱裝置能夠得到充分的加熱，最高溫度可達190℃.2臺變壓器的型號相同，調壓范圍為0～250V，最大電流為12A.通過調節變壓器的電壓可以可以改變電加熱器的加熱量，從而可以調節氣體的溫度，為了實驗設備能夠穩定運行，在調壓過程中將加熱后的氣體溫度控制在150～160℃.

1.2 泡沫金屬換熱器

泡沫金屬換熱器的材料為鋁，兩端用法蘭連接.泡沫金屬換熱器的參數為：長205mm，內徑為99mm，冷卻水套的厚度為8mm，換熱器內外壁的厚度均為2mm，法蘭內徑為99mm、外徑為147mm、厚為7mm，法蘭上均勻布置16個直徑為6mm的圓孔用來連接前后端.在換熱器內部插入孔密度為20PPI，空隙率為90%的泡沫銅30片，每片泡沫銅的直徑為100mm、厚度為6mm.在泡沫金屬換熱器兩端距離法蘭30mm處個安裝有直徑為8mm的入水口和出水口.

1.3 冷卻水系統

冷卻水系統由管道、流量計和自來水組成.實驗中采用自來水為冷卻水源，直接向換熱器中輸水，水的流量及流速由自來水閥門控制.在自來水管道出口與換熱器入水口之間加裝一個金屬管浮子流量計.流量計的參數為：精度2.5級，流量范圍10～100L／h，工作壓力小于等于6.3MPa，工作環境溫度－40～65℃.

1.4 測量及數據采集系統

流速的測量采用加野6004熱線式風速儀和笛形管測速計，動壓差和靜壓差的測量采用皮托管.笛形管、動壓差和靜壓差的數據通過準確度為0.5級的差壓變送器來采集.溫度的測量采用銅康銅T型熱電偶.差壓變送器及溫度的數據采集使用美國Agilent Technologies公司生產的Agilent 34970A數據采集系統，采集的數據傳輸至電腦保存.

2 測試方法及數據處理

2.1 測試方法

為了比較泡沫金屬對換熱器阻力及換熱特性的影響，將測試分為兩組，一組為不加泡沫金屬的換熱器，另一組為泡沫金屬換熱器.

換熱器的前端和后端都安裝有延長段來保證流體進入和流出換熱器時能夠達到穩定.在換熱器的入口側沿直徑由上至下均勻布置5個熱電偶，出口側沿直徑由上至下均勻布置9個熱電偶.在換熱器的入水口和出水口各布置一個熱電偶，換熱器的前端延長段中間1 500mm處安裝一個笛形管測速計，在前端和后端40mm處各安裝一個皮托管，最后通過Agilent 34970A數據采集系統將數據記錄至電腦.

調節風機的工作檔得到5個不同的氣流速度，調節2個變壓器的電壓使得換熱器入口溫度在一相對穩定的范圍內，待風機和加熱器工作一段時間后流動和換熱達到穩定再開始數據采集.

2.2 實驗數據處理

笛形管測速計是皮托管的一種，與普通的皮托管略有差異但測速原理是相同的，在進行實驗前需對笛形管測速計進行標定.通過測量流體的總壓p0和靜壓p，或壓差來進行流速計算時，應做適當的修正.為此引入皮托管的校準系數

即實驗進行前在換熱器中沒有泡沫金屬的狀態下利用加野6004熱線式風速儀測量3組數據，同時在測量的過程中采集笛形管測速計的差壓數據，利用式（1）計算出3組ζ然后取平均值，最終算得的ζ＝0.699.

差壓變送器的量程為0～3 000Pa，數據采集器采集的電流信號為4～20mA，換算得數據為187.5Pa／mA.由以上數據及公式，笛形管、皮托管所測量出來的壓差信號可通過計算得到所需的速度和壓力差值.

3 結果分析

3.1 阻力性能分析

實驗分別對未加入泡沫金屬的換熱器和泡沫金屬換熱器在不同流速下的阻力特性開展研究，記錄了兩種情況下換熱器入口和出口的靜壓差和動壓差，據此分析換熱器的壓降特性.由圖2可見隨著流速的增加2種形式的換熱器的動壓差、靜壓差都是逐漸增大的，且泡沫金屬換熱器的壓降遠大于無泡沫金屬的換熱器.

圖2 壓差隨流速的變化圖

開孔泡沫金屬的內部具有連續貫通的三維多孔結構，孔的排列無規則，但孔密度和孔隙率是一定的.管內插入泡沫金屬后氣體的流動路線發生了極大的改變，流動空間迅速減小，致使氣體流過換熱器時產生極大的阻力，流體從中間流過時慣性阻力和形狀阻力是產生壓降的主要原因.由于阻力的作用，加入泡沫金屬后流體在管內的速度分布由原來的近似拋物線分布變成速度較均勻的分布，管壁與管中心的速度分布差值變小，最終導致了較大的壓力損失.分析圖3還可知無論是泡沫金屬換熱器還是無泡沫金屬的換熱器，動壓差的值均小于靜壓差的值，但同一形式的換熱器動壓差和靜壓差相差不大.從圖中曲線發展的趨勢可以看出在不同的流速下泡沫金屬換熱器的壓降都比無泡沫金屬時大很多，兩者并不在一個數量級上，無泡沫金屬的情況下壓降幾乎可以忽略.

圖3 溫度降隨流速的變化圖

3.2 換熱性能分析

表1、表2列出了換熱器在水流量為80L／h，室溫為36℃的條件下各項運行參數.

表1 無泡沫金屬時換熱器的參數表

表2 泡沫金屬換熱器的參數表

由圖3可見高溫氣體流經無泡沫金屬的換熱器時溫降在7℃左右，且隨著流速的增加氣體流經換熱器的降溫效果是變差的；高溫氣體流經泡沫金屬換熱器時溫降在18～26℃不等，隨著流速的增加泡沫金屬換熱器的換熱效果總體趨勢也是變差的.從以往的實驗及理論的研究中可以看到氣體與固體間對流換熱熱阻非常大，增強氣體與固體間的換熱是非常困難的.可見在流速相近的情況下泡沫金屬換熱器的換熱效果要比不加泡沫金屬的換熱器好很多.管內插入泡沫金屬主要是以降低排氣的溫度為目的，泡沫金屬中的傳熱過程由兩部分構成：金屬骨架本身的熱傳導以及金屬表面間的對流換熱.泡沫金屬的加入提高了金屬表面與流體間的對流換熱，即通過提高結構的比表面積增加單位體積內的對流換熱面積.同時由于泡沫金屬的存在使得流體流經泡沫金屬時速度變的較為均勻，從而改變了速度場與溫度場的協同程度強化了換熱.另外從圖3中可以明顯的看到泡沫金屬換熱器中第五個點的溫降高于第四個點的溫降，綜合表2的數據可以得知第五個點的氣體入口溫度高于第四個點的氣體入口溫度，但2個點的速度相差不大，可見入口溫度的高低對換熱器的換熱效果也有一定的影響，入口溫度越高換熱效果越好.

利用公式Q＝mcpΔt驗證氣體和水的換熱量可知，氣體的換熱量略大于水的換熱量.產生這種情況的主要原因是換熱器的前后端都安裝有延長段，其材料為鐵，由于鐵與鋁之間的熱阻很小熱量傳遞很快，因此有一部分熱量從換熱器的兩端散失了.

為了研究水流量對高溫氣體降溫的影響，在流速為5.753m／s的情況下，分別測量了冷卻水流量為80L／h和500L／h時的換熱效果.由表2可知在冷卻水流量為80L／h時氣體進出口溫差為18.696 6℃；測量得冷卻水流量為500L／h時氣體進出口溫差為19.275 8℃；兩者相差并不大.可見換熱器水側的換熱已經十分充分了，再提高水的流量意義不大.

4 結 論

1）泡沫金屬換熱器用來降低高溫氣體的溫度能起到很好的效果，氣體的流速越低、溫度越高降溫效果越好.

2）泡沫金屬換熱器水側的換熱是十分充分的，增大水的流量意義不大.

3）泡沫金屬換熱器在提升換熱效果的同時帶來了較大的壓力損失，在實際應用時要權衡利弊進行選擇.

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