خصائص نقل الحرارة لرغوة المعادن ذات الخلايا المفتوحة

الرغوة المعدنية هي مادة معدنية مركبة متعددة الوظائف، تحتوي على عدد وحجم معينين من المسامات ومسامية محددة في مصفوفة المعدن. تتميز الرغوة المعدنية بخصائص هيكلية فريدة، مثل مساحة سطح نوعية كبيرة، ومسامية كبيرة، وكثافة منخفضة، وخصائص مركبة متعددة الوظائف، مثل تبديد الحرارة (خلية مفتوحة)، والعزل الحراري (خلية مغلقة)، وامتصاص الصوت وتخميد الاهتزازات، وخفة الوزن، وقوة تحمل نوعية عالية، وحجب كهرومغناطيسي، وغيرها. وهي مادة هيكلية ووظيفية تجمع بين خصائص العزل الحراري.هكذاس، الميكانيكا، الصوتيات، والكهرباء.
لرغوة معدنية ذات خلايا مفتوحةبفضل مساميته العالية وبنيته الشبكية ثلاثية الأبعاد المعقدة، يتميز هذا المعدن بتبديد حراري ممتاز وكفاءة نقل حرارة عالية، مما يتيح تطبيقات واسعة في مجال المبادلات الحرارية المدمجة، وتبريد الأجهزة الإلكترونية الدقيقة، وغيرها. أما بالنسبة لخصائص نقل الحرارة لمعادن الرغوة مفتوحة الخلايا، فيجري بحثها وتحليلها من خلال تطبيقات المبادلات الحرارية المدمجة.
رغوة معدنيةللمبادلات الحرارية المدمجة
لقد تم الاعتراف عمومًا بخصائص نقل الحرارة المُحسّنة للرغوة المعدنية. فعندما يتدفق الغاز أو السائل عبر الثقوب، تنتقل الحرارة وتُتبادل في شكل حمل حراري قسري بين الرغوة المعدنية ذات البنية الخلوية المفتوحة والسائل. من ناحية، يُحدث الهيكل الشبكي ثلاثي الأبعاد المُعقد للرغوة المعدنية تأثيرًا غير خطي للسائل، كما يُعزز درجة الاضطراب، مما يُعزز السطح الصلب للسائل في نقل الحرارة الموضعي العالي؛ ومن ناحية أخرى، تُعدّ المساحة السطحية النوعية الكبيرة للمعدن الرغوي سببًا مهمًا لأداء نقل الحرارة الجيد. في الوقت الحالي، تُركز دراسة الرغوة المعدنية لتحسين أداء نقل الحرارة في المبادلات الحرارية المدمجة بشكل رئيسي على نقل الحرارة المُحسّن من جانب الهواء ونقل الحرارة المُحسّن من جانب المُبرد.
لتحسين خصائص نقل الحرارة عبر الهواء للرغوة المعدنية، تُستخدم الرغوة المعدنية بدلاً من الزعانف لتبديد الحرارة في التطبيقات التي تستخدم الزعانف التقليدية، مثل تبريد المكونات الإلكترونية، والمبادلات الحرارية الصفائحية، والمبادلات الحرارية ذات الزعانف. في المبادلات الحرارية المدمجة، تُدرس حاليًا خصائص نقل الحرارة بالتدفق بشكل رئيسي لمعادن رغوة النحاس والألومنيوم ذات كثافة مسام أقل من 40% عمومًا، ومسامية 70% أو أكثر.
عند حجم مسام معين، يزداد معدل انتقال الحرارة مع زيادة المسامية ويسيطر. من ناحية أخرى، كلما زادت كثافة المسام، انخفضت كفاءة انتقال الحرارة، وقد يكون ذلك بسبب الحجم الكبير للمسام. تُعد معايير بنية المسام، وهي المسامية وكثافة المسام وقطر المسام، العوامل الرئيسية المؤثرة على أداء انتقال الحرارة.رغاوي معدنيةلتطبيق الرغوة المعدنية في تبريد المكونات الإلكترونية، دُرست آثار مسامية الرغوة المعدنية وقطر المسام على تبديد الحرارة من خلال تجارب متعامدة. أظهرت النتائج أن أداء تبديد الحرارة للرغوة المعدنية في ظل الحمل الحراري القسري يرتبط ببنية المسام، حيث يكون لحجم المسام التأثير الأكبر.
تُظهر بعض نتائج الأبحاث أنه على الرغم من الدور الفعّال للمعدن الرغوي في تعزيز نقل الحرارة، إلا أن نموّ المقاومة لا يُستهان به مع نموّ أداء المبادل الحراري. تتحسن كفاءة نقل الحرارة للمعدن الرغوي بشكل ملحوظ عند فقدان ضغط أقل، ويزداد فقدان الضغط مع زيادة كثافة المسام. تُفيد نتائج هذه الدراسة في تصميم وتصنيع مبادلات حرارية خفيفة الوزن ومدمجة وعالية الكفاءة. أُجريت دراسة تجريبية على مبادلات حرارية من المعدن الرغوي ومبادلات حرارية زعانف من نفس الحجم، وتبيّن أنه في ظلّ نفس ظروف الاختبار، كان المبادل الحراري للمعدن الرغوي أقلّ كفاءة من المبادل الحراري الزعانف، وكان فقدان الضغط ومعامل الاحتكاك أعلى من نظيره في المبادل الحراري الزعانف. للمعدن الرغوي المسامي تأثير تقوية واضح على نقل الحرارة بالحمل الحراري، ويتناقص تأثير التقوية مع زيادة رقم رينولدز؛ إذ يزيد المعدن الرغوي المسامي من مقاومة تدفق السوائل بشكل واضح، لكنّ مضاعفة زيادة المقاومة تتناقص مع زيادة رقم رينولدز. يمكن رؤية التعزيز الشامل لنقل الحرارة الحملية وزيادة انخفاض الضغط في تدفق جانبين،رغوة معدنية مساميةيُعدّ أكثر ملاءمةً للسوائل ذات معدلات التدفق المنخفضة. يُحسّن المعدن الرغوي نقل الحرارة من جانب الهواء، ولكنه يُحسّن أداء نقل الحرارة، ويزيد مقاومته، لكن الأداء العام أقل من الزعانف التقليدية. تُظهر الأبحاث أن المعدن الرغوي مناسبٌ للحالات النادرة ذات التدفق المنخفض. لذلك، يجب مراعاة حالات التطبيق المختلفة لنقل الحرارة المُحسّن من جانب الهواء باستخدام المعدن الرغوي، وعدم الاعتماد على أبحاث بدائل تبديد الحرارة التقليدية بشكلٍ عشوائي.

يمكن للرغوة المعدنية أيضًا أن تلعب دورًا في تعزيز انتقال الحرارة للمبرد عن طريق تغيير الطور. تُظهر النتائج أنه عند التأكد من المسامية، يتضاعف أداء انتقال الحرارة مع انخفاض كثافة المسام من 20 إلى 40 نقطة في البوصة وانخفاض حجم المسام، وذلك بفضل بنية الخلية الدقيقة ذات مساحة السطح الأكبر والاضطراب الأكثر شدة. عند معدلات التدفق العالية، يحافظ معامل انتقال الحرارة عند الغليان على زيادة ثابتة وبطيئة مع زيادة الجفاف. مع الزيادة التدريجية في ضغط التشغيل، تُشبه ظاهرة انتقال الحرارة عند الغليان عند الجفاف المنخفض ظاهرة الغليان الأرضي، أي أن انتقال الحرارة يتكثف مع زيادة الضغط، لكن ارتفاع الضغط إلى حد ما يلعب دورًا متدهورًا في انتقال الحرارة عند الغليان. معامل انتقال الحرارة لأنابيب الرغوة النحاسية أعلى بثلاث مرات تقريبًا من معامل انتقال الحرارة في الأنابيب الخفيفة. في حالة المبرد النقي، يُعزز وجود معدن الرغوة تدفق انتقال الحرارة عند الغليان، ويزداد معامل انتقال الحرارة بنسبة تصل إلى 185%. في حالة وجود ظروف تحتوي على الزيت، يضعف تأثير الرغوة المعدنية في تعزيز نقل الحرارة؛ في ظل نفس الظروف، بالمقارنة مع رغوة المعدن 5PPI، يمكن لرغوة المعدن 10PPI زيادة معامل نقل الحرارة بما يصل إلى 0.6 مرة، ويمكن لحجم المسام الأصغر تحسين معامل نقل الحرارة المغلي للتدفق.
تم تحليل آثار معدل تدفق الكتلة وجفاف السائل ثنائي الطور على انخفاض ضغط تكثيف التدفق ومعامل انتقال الحرارة بشكل شامل. أظهرت النتائج أن انخفاض ضغط أنبوب الرغوة المعدني الحلقي المملوء بالجدار الداخلي أكبر بكثير من انخفاض ضغط أنبوب الضوء، ويزداد انخفاض الضغط بسرعة وبشكل غير خطي مع زيادة معدل تدفق الكتلة والجفاف. يكون معامل انتقال الحرارة بالتكثيف لأنبوب الرغوة المعدني الحلقي المملوء بالجدار الداخلي أكبر من معامل انتقال الحرارة لأنبوب الضوء، ويزداد معامل انتقال الحرارة مع زيادة معدل تدفق الكتلة والجفاف، ويبلغ معامل انتقال الحرارة بالتكثيف لهذا النوع من الأنابيب المقواة حوالي ضعف معامل أنبوب الضوء. نظرًا لتأثيره الشعري الواضح، فإن كثافة المسام للأنبوب المقوى 130PPI هي أفضل تأثير، لأنبوب الضوء 3.06 مرة، فإن أنبوب 40PPI يشبه بشكل أساسي هيكل الأنبوب منخفض الضلع كوسيلة للتعزيز.
في المبادل الحراري المدمج،رغوة معدنيةيمكن الاستفادة الكاملة من الرغوة المعدنية لتعزيز دورها في نقل الحرارة، إلا أن الدراسة أظهرت أهمية خصائص مقاومة نمو المعدن الرغوي، مما يستدعي تقييمًا شاملًا للأداء لتقييم استخدام المعدن الرغوي في المبادل الحراري المدمج. إضافةً إلى ذلك، في وجود مواد تشحيم تحتوي على زيت، قد تؤدي المعادن الرغوية إلى تدهور نقل الحرارة، لذا يجب مراعاة تأثير مواد التشحيم على نقل الحرارة المعزز للرغوة المعدنية في نقل الحرارة بتغير الطور في المبردات.