湿空气在泡沫金属内析湿过程的换热与压降特性影响因素分析

翁晓敏，胡海涛，庄大伟，丁国良，许旭东，杨怀毅

（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）

引 言

泡沫金属是一种高孔隙率（最高可达98%）的多孔材料，由于具有复杂的空间结构（图1）、较大的比表面积以及金属材料的高热导率等特点[1]，广泛应用于建筑板、吸声材料、换热器等。

图1 不同孔密度的泡沫金属照片Fig.1 Photo of metal foam

已有对泡沫金属传热的研究主要集中在导热性能、单相流体在泡沫金属换热器内的换热和压降特性[2-10]，以及泡沫金属结构参数对池沸腾和流动沸腾换热及压降特性的影响[11-14]。泡沫金属应用于 换热器代替传统的翅片，可以强化空气侧的换热，提高换热器的性能[15-22]。对于干空气在泡沫金属内流动过程的换热特性，泡沫金属的强化传热效果明显优于翅片[15-18]；槽道内填充泡沫金属时的传热效率能提高10～12 倍[19-20]，泡沫金属换热器的换热系数最高为翅片管换热器的3～4 倍[21-22]。实际应用中换热器大多处于湿工况下，但是到目前为止尚未见关于在析湿工况下空气在泡沫金属内流动换热与压降特性的研究报道。

泡沫金属用于析湿工况时，由于泡沫金属纤维弯曲、倾斜且相互连接，析湿产生的凝结水附着在泡沫金属纤维上，会出现凝结液滴在泡沫金属内累积的现象，从而影响换热器的换热和压降。因此，为了对泡沫金属换热器进行优化设计，需要对湿空气在泡沫金属内流动析湿过程的换热与压降特性进行研究。

本工作的目的是通过实验研究得出湿空气在泡沫金属内流动析湿过程中换热与压降特性的变化规律，分析不同影响因素对传热与压降特性的影响。

1 实验装置与测试对象

1.1 实验装置及样件

实验系统包括空气侧系统、冷却水系统和测量数据采集系统，如图2所示。测试对象是孔隙率为85%，孔密度分别为5PPI（numbers of pores per inch）、10PPI、15PPI 的泡沫铜，样件是通过铜基焊料在真空高温炉内与铜板焊接而成。测试样件如图3所示，具体参数见表1。

图2 系统装置Fig.2 Schematic diagram of experimental setup

图3 泡沫金属测试样件示意图Fig.3 Schematic diagram of test sample

表1 泡沫金属试样参数Table 1 Parameters of test sample

实验过程中，空压机1 出来的空气（压力为0.2～0.3 MPa）与加热水箱4 产生的蒸汽进入混合箱2，通过流量调节阀门18 调节进入混合箱内的空气和蒸汽的量，使之达到所需的空气温度、湿度以 及空气流量。空气与加热水箱产生的蒸汽的比例以进口湿空气的含湿量和相对湿度确定，本研究实验工况涵盖的含湿量范围为0.01～0.025 kg·kg-1（干），相对湿度范围为50%～90%。从恒温水箱17 流出的冷却水通过微型水泵15 输送到泡沫金属的铜板一侧以冷却铜板，铜板将冷量传递给泡沫金属，从而使湿空气在泡沫金属内流动过程中出现析湿现象。通过温湿度传感器11、气体流量计8、压差传感器13、热电偶14 对测件的进出口温度/湿度、空气流量、样件前后的压差、进出口水温进行测量，并通过数据采集仪对各参数进行记录和数据输出。

实验设备中的测试段12（可视化窗口）和连接法兰19 之间的管道是用有机玻璃制备的，其余部分采用不锈钢材质进行加工。除了可视化窗口之外，整个实验装置均用保温材料进行保温，漏热分析表明漏热量可以忽略不计。

根据空调器在实际运行中的环境条件，本研究的实验工况包括：进口空气流速为0.5～2 m·s-1，进口湿空气温度为27～32℃，进口空气相对湿度为50%～90%，冷却水温度为6～18℃，样件的孔密度为5～15PPI，样件的侧面迎风高度为50～90 mm。

1.2 实验误差分析

在实验测量时误差的存在是不可避免的。本小节对测量的直接参数和间接参数进行误差分析。

实验装置中需要直接测量的参数误差以及所用设备的型号和量程见表2。

根据实验直接测量参数的误差可以算出实验的间接测量的误差。由Moffat[23]方法分析得到实验台的误差，换热量的误差为±17.9%，压差的误差为±3%。

2 数据处理方法

湿空气在泡沫金属内的流动特性包括换热和压降两部分。其中压降通过样件两侧连接的压差传感器直接测得。换热需要通过测量进出口的温度、湿度、压力等参数进行求解。

换热器的换热量在数据处理中取空气侧换热量Qa与冷却水侧换热量Qw的平均值

根据ASHRAE33-78[24]的要求，有效数据必须满足

空气侧换热量包括湿空气的显热换热Qa1和湿空气的潜热换热Qa2两部分，如式(2)所示。

式中，ma1、ma2和γ分别表示只发生显热换热的湿空气质量流量、只发生潜热换热的蒸汽质量流量和水的汽化潜热，ia1,in、ia1,out分别指进口和出口只发生显热换热的空气的焓值。

3 实验结果及分析

3.1 空气相对湿度对泡沫金属内湿空气换热与压降特性的影响

图4给出了入口空气相对湿度对泡沫金属内湿空气换热与压降特性影响的变化规律。由图可知，随着相对湿度的增加，潜热换热量增加，显热换热量逐渐减小。这是因为，在相同的冷却水温度下，相对湿度越大，析湿量越大，从而使潜热换热增大；而凝结水在泡沫金属纤维表面聚集，对显热换热有一定的抑制作用，因此显热换热逐渐减小。显热换热量与潜热换热量的叠加，使总换热量随入口相对湿度升高逐渐增大。当相对湿度由50%增大到90%时，总换热量最大增加了67%，而且增加程度随冷却水温度升高而降低。

随着入口空气相对湿度的增加，凝结液滴增多，使压降增大；当相对湿度由50%增大到90%时，压降最大增加了62%。综合图4的换热和压降，总换热量随湿度的增加近似线性增加；压降在相对湿度为70%～80%时急剧增大，而当湿度为90%时，由于凝结水逐渐趋于饱和，压降增大的速率变缓。因此，综合考虑换热和压降特性，在相对湿度为70%时的换热和压降特性最佳。

表2 实验测量仪器测量误差Table 2 Uncertainties of direct measurements

图4 入口相对湿度对泡沫金属内换热与压降特性的影响Fig.4 Effect of air inlet relative humidity on heat transfer and pressure drop in metal foam

3.2 空气温度对泡沫金属内湿空气换热与压降特性的影响

图5给出了入口空气温度对泡沫金属内湿空气换热与压降特性影响的变化规律。从图5(a)可以看出，随着入口空气温度的升高，潜热换热量增大，显热换热量缓慢增加，总换热量近似线性增加。这是由于，在相同的相对湿度下，随着入口温度的升高，进口空气含湿量增加，因而在相同温度的水的冷却下产生的凝结水增多，从而使潜热换热量逐渐增大；随着入口温度的升高，显热换热略有上升。随着入口温度的升高，凝结水增多，使阻力增大，导致压降略有增加，当入口湿空气温度从25℃升高到35℃时，压降仅增大1.3 Pa [图5(b)]。

图5 入口空气温度对泡沫金属内换热与压降特性的影响Fig.5 Effect of air inlet temperature on heat transfer and pressure drop in metal foam

3.3 空气速度对泡沫金属内湿空气换热与压降特性的影响

图6给出了空气速度对泡沫金属内湿空气总换热与压降特性的影响规律。由图6(a)可知，随着空气速度的增大，潜热换热量和显热换热量均增大；显热换热量比潜热换热量大，而且增长速率快。这是由于，随着湿空气的速度增大，换热器与空气的对流换热增强，使显热换热和潜热换热均增强，而且对显热的影响更大。但是，流速越大，压降越大[图6(b)]。

3.4 冷却水温度对泡沫金属内湿空气换热与压降特性的影响

图6 入口空气速度对泡沫金属内换热与压降特性的影响Fig.6 Effect of air inlet velocity on heat transfer and pressure drop in metal foam

图7给出了冷却水温度对泡沫金属内湿空气换 热与压降特性的影响规律。冷却水温度越高，潜热换热量和显热换热量越小，而且潜热换热量降低幅度更大。对于不同的湿度，冷却水温对压降的影响各异。冷却水温由12℃降低到6℃时，压降显著上升，而且湿度越大压降增大的幅度越大。而冷却水温从18℃下降到12℃时，压降增大的幅度较小。

3.5 不同孔密度对泡沫金属内湿空气换热与压降特性的影响

图7 冷却水温度对泡沫金属内换热与压降特性的影响Fig.7 Effect of cooling water temperature on heat transfer and pressure drop in metal foam

图8给出了不同孔密度对泡沫金属内湿空气换热与压降特性的影响规律。从图8(a)可知，随着孔密度的增大，总换热量先下降后上升，即孔密度为5PPI 时总换热量最大，15PPI 次之，10PPI 最小。这是因为，对于显热换热，一方面孔密度越小孔直径 越大，在孔隙率一定时金属纤维越粗，使热导率 越大[24]。另一方面金属丝越粗产生的湍流动能越 大[25-26]，显热换热量越大，而且在析湿工况下孔直径越大越有利于冷凝水的排出，使潜热换热较大，所以5PPI 的总换热量最好。相比于10PPI，15PPI的泡沫铜具有更大的比表面积，从而具有较大的显热换热量，在析湿工况下10PPI 和15PPI 的泡沫铜结构复杂，均不利于凝结水的排出，潜热换热量相当，因此总换热量取决于显热换热。因此，结合潜热换热和显然换热各自的变化，总换热量会随孔密度的增大呈现先减小后增大的趋势。

随着相对湿度的增加，潜热换热量逐渐增大，但是显热换热量逐渐减小，总换热量先减小后增大，在相对湿度为60%左右时总换热量最小。

由图8(b)可知，孔密度的增大导致流动阻力增大，从而使得压降变大。

图8 孔密度对泡沫金属内湿空气换热与压降特性的影响Fig.8 Effect of PPI on heat transfer and pressure drop in metal foam

3.6 不同迎风高度对泡沫金属内湿空气换热与压降特性的影响

图9给出了泡沫金属迎风高度对湿空气换热和压降的影响。从图9(a)看出，高度越大，换热效果越好；随着湿度的增加，高度为90 mm 的泡沫金属换热量远大于高度为70 mm 和50 mm 的泡沫金属换热量。这是由于，在长度和厚度相同的情况下，高度越高，换热面积越大，从而有利于增大总换热量。而且，随着湿度的增大，换热面积大的泡沫金属产生的凝结水更多，从而增大了潜热换热。但高度越大，空气流过泡沫金属表面的阻力也越大，从而导致压降增大[图9(b)]。

4 结 论

（1）随着入口空气相对湿度的增大，潜热换热量增大，显热换热量逐渐减小，显热换热与潜热换热的叠加使总换热量逐渐增大；而由于凝结液滴在泡沫金属表面不断积聚，导致压降不断增大。当 空气相对湿度由50%增大到90%时，总换热量最多增大了67%，压降最多增大了62%。

图9 高度对泡沫金属内换热与压降特性的影响Fig.9 Effect of size of test sample on heat transfer and pressure drop in metal foam

（2）随着入口空气温度的升高，潜热换热量增大，显热换热量缓慢上升，使总换热量呈逐渐增大的趋势。当温度由25℃上升到35℃时，换热量增长了82%。压降随进口湿空气温度上升而略有增大，温度从25℃上升到35℃，压降仅上升了1.3 Pa。

（3）随着入口空气速度的增大，潜热换热量和显热换热量均上升，总换热量增大。压降随流速增大而增大。

（4）随着冷却水温度的升高，潜热换热量和显热换热量均减小，而且潜热换热量降低幅度更大。潜热换热量的降低表明泡沫金属纤维表面附着的凝结液滴量减少，从而降低了流动压降。

（5）随着孔密度的增大，泡沫金属的总换热量先减小后增大，即5PPI 的换热性能最好，15PPI次之，10PPI 最差；压降随孔密度增大而增大。

（6）随着泡沫金属的迎风高度的增大，总的换热性能变好，压降增大。

符 号 说 明

H——高度，mm

i——焓，kJ·kg-1

L——长度，mm

m——质量流量，kg·s-1

Q——换热量，W

S——厚度，mm

T——温度，℃

γ——水的汽化潜热，kJ·K-1

下角标

a——空气（气相）

a1——显热换热部分

a2——潜热换热部分

c-water——冷却水

in——入口

m-air——湿空气

out——出口

w——水（液相）

[1]Zhao C Y.Review on thermal transport in high porosity cellular metal foams with open cells [J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2012,55:3618-3632

[2]Bhattacharya A,Calmidi V V,Mahajan R L.Thermophysical properties of high porosity metal foams [J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2002,45 (5):1017-1031

[3]Boomsma K,Poulikakos D,Zwick F.Metal foams as compact high performance heat exchangers [J].Mechanics of Materials,2003,35 (12):1161-1176

[4]Zhang Guoli (张国立),Yang Li (杨立),Sun Fengrui (孙丰瑞).Experimental research on characteristics of pressure drop and heat transfer in mental foam heat exchanger [J].Journal of Wuhan University of Technology:Transportation Science & Engineering(武汉理工大学学报:交通科学与工程版),2010,34 (5):986-989

[5]Calmidi V V,Mahajan R L.The effective thermal conductivity of high porosity fibrous metal foams [J].Journal of Heat Transfer-Transactions of the ASME,1999,121 (2):466-471

[6]Costa C A S,Miranda V,Mantelli M B H,et al.Experimental study of flexible,unstructured metal foams as condensation structures [J].Experimental Thermal and Fluid Science,2014,57:102-110

[7]Li Juxiang (李菊香),Tu Shandong (涂善东).Analysis on flow and heat transfer of fluid in porous mental foam heat exchanger [J].Journal of Petrochemical University(石油化工高校学报),2008,34 (6):897-901

[8]Bastawros A F.Effectiveness of open-cell metallic foams for high power electronic cooling [J].ASME Heat Transfer Div.Publ.Htd.,1998,361:211-217

[9]Dukhan N.Correlations for the pressure drop for flow through metal foam [J].Experiments in Fluids,2006,41 (4):665-672

[10]Mancin S,Zilio C,Diani A,et al.Experimental air heat transfer and pressure drop through copper foams [J].Experimental Thermal and Fluid Science,2012,36:224-232

[11]Mancin S,Zilio C,Diani A,et al.Air forced convection through metal foams:experimental results and modeling [J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2013,62:112-123

[12]Madani B,Tadrist L,Topin F.Experimental analysis of upward flow boiling heat transfer in a channel provided with copper metallic foam [J].Applied Thermal Engineering,2013,52 (2):336-344

[13]Kamath P M,Balaji C,Venkateshan S P.Convection heat transfer from aluminium and copper foams in a vertical channel—an experimental study [J].International Journal of Thermal Sciences,2013,64:1-10

[14]Zhao C Y,Kim T,Lu T J,Hodson H P.Thermal transport in high porosity cellular metal foams [J].Journal of Thermophysics and Heat Transfer,2004,18 (3):309-317

[15]Zhao C Y,Lu W,Tassou S A.Thermal analysis on metal-foam filled heat exchangers (Ⅱ):Tube heat exchangers [J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2006,49 (15):2762-2770

[16]Dai Z,Nawaz K,Park Y,Chen Q,Jacobi A M.A comparison of metal-foam heat exchangers to compact multilouver designs for air-side heat transfer applications [J].Heat Transfer Engineering,2011,33 (1):21-30

[17]Ejlali A,Ejlali A,Hooman K,Gurgenci H.Application of high porosity metal foams as air-cooled heat exchangers to high heat load removal systems [J].International Communications in Heat and Mass Transfer,2009,36:674-679

[18]Wang Xiaolu (王晓鲁),Jiang Peixue (姜培学),Shan Yuyao (单彧垚).Investigation of convection heat transfer in mental foams and mini fin structures [J].Journal of Engineering Thermophysics(工程热物理学报),2008,29 (1):121-123

[19]Odabaee M,Hooman K.Metal foam heat exchangers for heat transfer augmentation from a tube bank [J].Applied Thermal Engineering,2012,36:456-463

[20]Liu S,Zhang B M.Experimental research on heat transfer in a novel multi-functional structure [J].Journal of Astronautics,2010,31 (6):1656-1660

[21]Song Shaofeng (宋绍峰).Convective heat transfer in the structures of mental foam and pin fin [D].Beijing:Tsinghua University,2007

[22]Moffat R J.Describing the uncertainties in experimental results [J].Experimental Thermal and Fluid Science,1998,1 (1):3-17

[23]Standard A.Standard 33-78.Method of testing forced circulation air cooling and air heating coils [S].Atlanta,GA:American Society of Heating,Refrigerating and Air-Conditioning Engineers,Inc.,1978

[24]Zhao C Y,Lu T J,Hodson H P,Jackson J D.The temperature dependence of effective thermal conductivity of open-celled steel alloy foams [J].Materials Science and Engineering:A,2004,367 (1):123-131

[25]Bhattacharya A,Mahajan R L.Metal foam and finned metal foam heat sinks for electronics cooling in buoyancy-induced convection [J].Journal of Electronic Packaging,2006,128 (3):259-266

[26]Hutter C,Büchi D,Zuber V,von Rohr P R.Heat transfer in metal foams and designed porous media [J].Chemical Engineering Science,2011,66 (17):3806-3814