翁曉敏，胡海濤，莊大偉，丁國良，許旭東，楊懷毅

（上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

引 言

泡沫金屬是一種高孔隙率（最高可達98%）的多孔材料，由于具有復雜的空間結構（圖1）、較大的比表面積以及金屬材料的高熱導率等特點[1]，廣泛應用于建筑板、吸聲材料、換熱器等。

圖1 不同孔密度的泡沫金屬照片Fig.1 Photo of metal foam

已有對泡沫金屬傳熱的研究主要集中在導熱性能、單相流體在泡沫金屬換熱器內的換熱和壓降特性[2-10]，以及泡沫金屬結構參數對池沸騰和流動沸騰換熱及壓降特性的影響[11-14]。泡沫金屬應用于 換熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的翅片，可以強化空氣側的換熱，提高換熱器的性能[15-22]。對于干空氣在泡沫金屬內流動過程的換熱特性，泡沫金屬的強化傳熱效果明顯優(yōu)于翅片[15-18]；槽道內填充泡沫金屬時的傳熱效率能提高10～12 倍[19-20]，泡沫金屬換熱器的換熱系數最高為翅片管換熱器的3～4 倍[21-22]。實際應用中換熱器大多處于濕工況下，但是到目前為止尚未見關于在析濕工況下空氣在泡沫金屬內流動換熱與壓降特性的研究報道。

泡沫金屬用于析濕工況時，由于泡沫金屬纖維彎曲、傾斜且相互連接，析濕產生的凝結水附著在泡沫金屬纖維上，會出現凝結液滴在泡沫金屬內累積的現象，從而影響換熱器的換熱和壓降。因此，為了對泡沫金屬換熱器進行優(yōu)化設計，需要對濕空氣在泡沫金屬內流動析濕過程的換熱與壓降特性進行研究。

本工作的目的是通過實驗研究得出濕空氣在泡沫金屬內流動析濕過程中換熱與壓降特性的變化規(guī)律，分析不同影響因素對傳熱與壓降特性的影響。

1 實驗裝置與測試對象

1.1 實驗裝置及樣件

實驗系統(tǒng)包括空氣側系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和測量數據采集系統(tǒng)，如圖2所示。測試對象是孔隙率為85%，孔密度分別為5PPI（numbers of pores per inch）、10PPI、15PPI 的泡沫銅，樣件是通過銅基焊料在真空高溫爐內與銅板焊接而成。測試樣件如圖3所示，具體參數見表1。

圖2 系統(tǒng)裝置Fig.2 Schematic diagram of experimental setup

圖3 泡沫金屬測試樣件示意圖Fig.3 Schematic diagram of test sample

表1 泡沫金屬試樣參數Table 1 Parameters of test sample

實驗過程中，空壓機1 出來的空氣（壓力為0.2～0.3 MPa）與加熱水箱4 產生的蒸汽進入混合箱2，通過流量調節(jié)閥門18 調節(jié)進入混合箱內的空氣和蒸汽的量，使之達到所需的空氣溫度、濕度以 及空氣流量?？諝馀c加熱水箱產生的蒸汽的比例以進口濕空氣的含濕量和相對濕度確定，本研究實驗工況涵蓋的含濕量范圍為0.01～0.025 kg·kg-1（干），相對濕度范圍為50%～90%。從恒溫水箱17 流出的冷卻水通過微型水泵15 輸送到泡沫金屬的銅板一側以冷卻銅板，銅板將冷量傳遞給泡沫金屬，從而使?jié)窨諝庠谂菽饘賰攘鲃舆^程中出現析濕現象。通過溫濕度傳感器11、氣體流量計8、壓差傳感器13、熱電偶14 對測件的進出口溫度/濕度、空氣流量、樣件前后的壓差、進出口水溫進行測量，并通過數據采集儀對各參數進行記錄和數據輸出。

實驗設備中的測試段12（可視化窗口）和連接法蘭19 之間的管道是用有機玻璃制備的，其余部分采用不銹鋼材質進行加工。除了可視化窗口之外，整個實驗裝置均用保溫材料進行保溫，漏熱分析表明漏熱量可以忽略不計。

根據空調器在實際運行中的環(huán)境條件，本研究的實驗工況包括：進口空氣流速為0.5～2 m·s-1，進口濕空氣溫度為27～32℃，進口空氣相對濕度為50%～90%，冷卻水溫度為6～18℃，樣件的孔密度為5～15PPI，樣件的側面迎風高度為50～90 mm。

1.2 實驗誤差分析

在實驗測量時誤差的存在是不可避免的。本小節(jié)對測量的直接參數和間接參數進行誤差分析。

實驗裝置中需要直接測量的參數誤差以及所用設備的型號和量程見表2。

根據實驗直接測量參數的誤差可以算出實驗的間接測量的誤差。由Moffat[23]方法分析得到實驗臺的誤差，換熱量的誤差為±17.9%，壓差的誤差為±3%。

2 數據處理方法

濕空氣在泡沫金屬內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、壓力等參數進行求解。

換熱器的換熱量在數據處理中取空氣側換熱量Qa與冷卻水側換熱量Qw的平均值

根據ASHRAE33-78[24]的要求，有效數據必須滿足

空氣側換熱量包括濕空氣的顯熱換熱Qa1和濕空氣的潛熱換熱Qa2兩部分，如式(2)所示。

式中，ma1、ma2和γ分別表示只發(fā)生顯熱換熱的濕空氣質量流量、只發(fā)生潛熱換熱的蒸汽質量流量和水的汽化潛熱，ia1,in、ia1,out分別指進口和出口只發(fā)生顯熱換熱的空氣的焓值。

3 實驗結果及分析

3.1 空氣相對濕度對泡沫金屬內濕空氣換熱與壓降特性的影響

圖4給出了入口空氣相對濕度對泡沫金屬內濕空氣換熱與壓降特性影響的變化規(guī)律。由圖可知，隨著相對濕度的增加，潛熱換熱量增加，顯熱換熱量逐漸減小。這是因為，在相同的冷卻水溫度下，相對濕度越大，析濕量越大，從而使?jié)摕釗Q熱增大；而凝結水在泡沫金屬纖維表面聚集，對顯熱換熱有一定的抑制作用，因此顯熱換熱逐漸減小。顯熱換熱量與潛熱換熱量的疊加，使總換熱量隨入口相對濕度升高逐漸增大。當相對濕度由50%增大到90%時，總換熱量最大增加了67%，而且增加程度隨冷卻水溫度升高而降低。

隨著入口空氣相對濕度的增加，凝結液滴增多，使壓降增大；當相對濕度由50%增大到90%時，壓降最大增加了62%。綜合圖4的換熱和壓降，總換熱量隨濕度的增加近似線性增加；壓降在相對濕度為70%～80%時急劇增大，而當濕度為90%時，由于凝結水逐漸趨于飽和，壓降增大的速率變緩。因此，綜合考慮換熱和壓降特性，在相對濕度為70%時的換熱和壓降特性最佳。

表2 實驗測量儀器測量誤差Table 2 Uncertainties of direct measurements

圖4 入口相對濕度對泡沫金屬內換熱與壓降特性的影響Fig.4 Effect of air inlet relative humidity on heat transfer and pressure drop in metal foam

3.2 空氣溫度對泡沫金屬內濕空氣換熱與壓降特性的影響

圖5給出了入口空氣溫度對泡沫金屬內濕空氣換熱與壓降特性影響的變化規(guī)律。從圖5(a)可以看出，隨著入口空氣溫度的升高，潛熱換熱量增大，顯熱換熱量緩慢增加，總換熱量近似線性增加。這是由于，在相同的相對濕度下，隨著入口溫度的升高，進口空氣含濕量增加，因而在相同溫度的水的冷卻下產生的凝結水增多，從而使?jié)摕釗Q熱量逐漸增大；隨著入口溫度的升高，顯熱換熱略有上升。隨著入口溫度的升高，凝結水增多，使阻力增大，導致壓降略有增加，當入口濕空氣溫度從25℃升高到35℃時，壓降僅增大1.3 Pa [圖5(b)]。

圖5 入口空氣溫度對泡沫金屬內換熱與壓降特性的影響Fig.5 Effect of air inlet temperature on heat transfer and pressure drop in metal foam

3.3 空氣速度對泡沫金屬內濕空氣換熱與壓降特性的影響

圖6給出了空氣速度對泡沫金屬內濕空氣總換熱與壓降特性的影響規(guī)律。由圖6(a)可知，隨著空氣速度的增大，潛熱換熱量和顯熱換熱量均增大；顯熱換熱量比潛熱換熱量大，而且增長速率快。這是由于，隨著濕空氣的速度增大，換熱器與空氣的對流換熱增強，使顯熱換熱和潛熱換熱均增強，而且對顯熱的影響更大。但是，流速越大，壓降越大[圖6(b)]。

3.4 冷卻水溫度對泡沫金屬內濕空氣換熱與壓降特性的影響

圖6 入口空氣速度對泡沫金屬內換熱與壓降特性的影響Fig.6 Effect of air inlet velocity on heat transfer and pressure drop in metal foam

圖7給出了冷卻水溫度對泡沫金屬內濕空氣換 熱與壓降特性的影響規(guī)律。冷卻水溫度越高，潛熱換熱量和顯熱換熱量越小，而且潛熱換熱量降低幅度更大。對于不同的濕度，冷卻水溫對壓降的影響各異。冷卻水溫由12℃降低到6℃時，壓降顯著上升，而且濕度越大壓降增大的幅度越大。而冷卻水溫從18℃下降到12℃時，壓降增大的幅度較小。

3.5 不同孔密度對泡沫金屬內濕空氣換熱與壓降特性的影響

圖7 冷卻水溫度對泡沫金屬內換熱與壓降特性的影響Fig.7 Effect of cooling water temperature on heat transfer and pressure drop in metal foam

圖8給出了不同孔密度對泡沫金屬內濕空氣換熱與壓降特性的影響規(guī)律。從圖8(a)可知，隨著孔密度的增大，總換熱量先下降后上升，即孔密度為5PPI 時總換熱量最大，15PPI 次之，10PPI 最小。這是因為，對于顯熱換熱，一方面孔密度越小孔直徑 越大，在孔隙率一定時金屬纖維越粗，使熱導率 越大[24]。另一方面金屬絲越粗產生的湍流動能越 大[25-26]，顯熱換熱量越大，而且在析濕工況下孔直徑越大越有利于冷凝水的排出，使?jié)摕釗Q熱較大，所以5PPI 的總換熱量最好。相比于10PPI，15PPI的泡沫銅具有更大的比表面積，從而具有較大的顯熱換熱量，在析濕工況下10PPI 和15PPI 的泡沫銅結構復雜，均不利于凝結水的排出，潛熱換熱量相當，因此總換熱量取決于顯熱換熱。因此，結合潛熱換熱和顯然換熱各自的變化，總換熱量會隨孔密度的增大呈現先減小后增大的趨勢。

隨著相對濕度的增加，潛熱換熱量逐漸增大，但是顯熱換熱量逐漸減小，總換熱量先減小后增大，在相對濕度為60%左右時總換熱量最小。

由圖8(b)可知，孔密度的增大導致流動阻力增大，從而使得壓降變大。

圖8 孔密度對泡沫金屬內濕空氣換熱與壓降特性的影響Fig.8 Effect of PPI on heat transfer and pressure drop in metal foam

3.6 不同迎風高度對泡沫金屬內濕空氣換熱與壓降特性的影響

圖9給出了泡沫金屬迎風高度對濕空氣換熱和壓降的影響。從圖9(a)看出，高度越大，換熱效果越好；隨著濕度的增加，高度為90 mm 的泡沫金屬換熱量遠大于高度為70 mm 和50 mm 的泡沫金屬換熱量。這是由于，在長度和厚度相同的情況下，高度越高，換熱面積越大，從而有利于增大總換熱量。而且，隨著濕度的增大，換熱面積大的泡沫金屬產生的凝結水更多，從而增大了潛熱換熱。但高度越大，空氣流過泡沫金屬表面的阻力也越大，從而導致壓降增大[圖9(b)]。

4 結 論

（1）隨著入口空氣相對濕度的增大，潛熱換熱量增大，顯熱換熱量逐漸減小，顯熱換熱與潛熱換熱的疊加使總換熱量逐漸增大；而由于凝結液滴在泡沫金屬表面不斷積聚，導致壓降不斷增大。當 空氣相對濕度由50%增大到90%時，總換熱量最多增大了67%，壓降最多增大了62%。

圖9 高度對泡沫金屬內換熱與壓降特性的影響Fig.9 Effect of size of test sample on heat transfer and pressure drop in metal foam

（2）隨著入口空氣溫度的升高，潛熱換熱量增大，顯熱換熱量緩慢上升，使總換熱量呈逐漸增大的趨勢。當溫度由25℃上升到35℃時，換熱量增長了82%。壓降隨進口濕空氣溫度上升而略有增大，溫度從25℃上升到35℃，壓降僅上升了1.3 Pa。

（3）隨著入口空氣速度的增大，潛熱換熱量和顯熱換熱量均上升，總換熱量增大。壓降隨流速增大而增大。

（4）隨著冷卻水溫度的升高，潛熱換熱量和顯熱換熱量均減小，而且潛熱換熱量降低幅度更大。潛熱換熱量的降低表明泡沫金屬纖維表面附著的凝結液滴量減少，從而降低了流動壓降。

（5）隨著孔密度的增大，泡沫金屬的總換熱量先減小后增大，即5PPI 的換熱性能最好，15PPI次之，10PPI 最差；壓降隨孔密度增大而增大。

（6）隨著泡沫金屬的迎風高度的增大，總的換熱性能變好，壓降增大。

符 號 說 明

H——高度，mm

i——焓，kJ·kg-1

L——長度，mm

m——質量流量，kg·s-1

Q——換熱量，W

S——厚度，mm

T——溫度，℃

γ——水的汽化潛熱，kJ·K-1

下角標

a——空氣（氣相）

a1——顯熱換熱部分

a2——潛熱換熱部分

c-water——冷卻水

in——入口

m-air——濕空氣

out——出口

w——水（液相）

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