Теплопередача кипящего потока в слое рифленого медного пеноматериала с открытыми порами
Аннотация
Введение. Медный пеноматериал обладает рядом преимуществ. Доказано, что он улучшает теплопередачу при кипении, но увеличивает энергозатраты насоса. Рифленая медная пена позволит достичь оптимального баланса между характеристиками теплопередачи при кипении и потребляемой мощностью насоса.
Материалы и методы. Исследован обычный медный пеноматериал и рифленый. Технические характеристики медного пеноматериала представлены комбинациями с пористостью 70, 80 и 90 % и плотностью пор 90 и 110 PPI. Рифленый медный материал имеет 11 и 17 канавок. Соответственно, ширина ребер составляет 2 и 1 мм при глубине канавок 2,9 мм и ширине 0,6 мм. Экспериментальная установка проточного кипения воды в слое пеноматериала состоит из четырех частей: резервуар для нагреваемой воды, насос, испытательная секция и система сбора данных. В испытательной секции жидкая вода превращается в пар и отводит тепло от поверхности медного блока, а затем пар конденсируется в жидкую воду в конечном резервуаре.
Результаты исследования. Образцы рифленого медного пеноматериала показали более высокую эффективность, чем образцы обычного. Медный рифленый пеноматериал может повысить критический тепловой поток и коэффициент теплопередачи по сравнению с обычным пеноматериалом. Образцы с 17 канавками показали более высокие показатели, чем образцы с 11 канавками. Визуальное наблюдение показало, что при умеренном и высоком тепловом потоке для рифленого медного пеноматериала с открытыми порами преобладает сложная структура потока. Масса пузырьков пара лучше формировалась над образцами с 17 канавками по сравнению с образцами с 11 канавками. Следовательно, в образце с 17 канавками более интенсивное кипение.
Обсуждение и заключение. Количество канавок оказывает существенное влияние на теплопередачу при кипении. Образцы медного рифленого пеноматериала обладают более высоким коэффициентом теплопередачи и критическим тепловым потоком. Структурные параметры, такие как пористость и плотность, оказывают второстепенное влияние на теплопередачу. Визуальное наблюдение показывает, что осуществляется циклическое чередование режимов потока: пузырьковый поток, кольцевой поток и массовое образование пара для образцов с канавками. Большая масса пара образуется на образцах с 17 канавками из-за более интенсивного кипения.
Литература
2. Gao W.H., Xu X., Liang X. Flow Boiling of R134a in an Open-Cell Metal Foam Mini-Channel Evaporator. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018;126(A):103–115. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.04.125
3. Deng D., Zeng L., Sun W. A Review on Flow Boiling Enhancement and Fabrication of Enhanced Microchannels of Microchannel Heat Sinks. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2021;175. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121332
4. Hong S., Dang C., Hihara E. A 3D Inlet Distributor Employing Copper Foam for Liquid Replenishment and Heat Transfer Enhancement in Microchannel Heat Sinks. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020;157. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119934
5. Yang Y., Ji X., Xu J. Pool Boiling Heat Transfer on Copper Foam Covers with Water as Working Fluid. International Journal of Thermal Sciences. 2010;49(7):1227–1237. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2010.01.013
6. Xu J., Ji X., Zhang W., Liu G. Pool Boiling Heat Transfer of Ultra-Light Copper Foam with Open Cells. International Journal of Multiphase Flow. 2008;34(11):1008–1022. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2008.05.003
7. Kouidri A., Madani B. Thermal and Hydrodynamic Performance of Flow Boiling Through a Heat Exchanger Filled with Various Metallic Foam Samples. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification. 2017;121:162–169. doi: https://doi.org/10.1016/j.cep.2017.08.014
8. Deng D., Tang Y., Liang D., et al. Flow Boiling Characteristics in Porous Heat Sink with Reentrant Microchannels. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020;70. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.10.057
9. Shi J., Jia X., Feng D., et al. Wettability Effect on Pool Boiling Heat Transfer Using a Multiscale Copper Foam Surface. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020;146. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.118726
10. Shi J., Feng D., Chen Z. Experimental Investigation on Pool Boiling Heat Transfer on Untreated/ Super-Hydrophilic Metal Foam under Microgravity. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020;151. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.119289
11. Manetti L.L., Moita A.S.O.H., de Souza R.R., et al. Effect of Copper Foam Thickness on Pool Boiling Heat Transfer of HFE-7100. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020;152. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijHeatmasstransfer.2020.119547
12. Xu Z.G., Qu Z.G., Zhao C.Y., et al. Pool Boiling Heat Transfer on Open-Celled Metallic Foam Sintered Surface under Saturation Condition. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2011;54(17–18):3856–3867. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2011.04.043
13. Li H.Y., Leong K.C. Experimental and Numerical Study of Single and Two-Phase Flow and Heat Transfer in Aluminum Foams. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2011;54(23–24):4904–4912. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2011.07.002
14. Tong L., Xiaomin W., Qiang M. Pool Boiling Heat Transfer of R141b on Surfaces Covered Copper Foam with Circular-Shaped Channels. Experimental Thermal and Fluid Science. 2019;105:136–143. doi: https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2019.03.015
15. Zhang D.H., Xu H., Chen Y., et al. Boiling Heat Transfer Performance of Parallel Porous Microchannels. Energies. 2020;13(11). doi: https://doi.org/10.3390/en13112970
