泡沫金属结构对排水性能的影响

赖展程，胡海涛，庄大伟，丁国良



泡沫金属结构对排水性能的影响

赖展程，胡海涛，庄大伟，丁国良

(上海交通大学制冷与低温工程研究所, 上海 200240)

摘要:泡沫金属具有超大比表面积，应用在除湿领域有很大潜力；保证泡沫金属表面冷凝液滴的及时排出是开发泡沫金属除湿换热器的关键，因此必须明确泡沫金属的排水性能。通过动态浸入实验，研究了3种不同润湿性下泡沫金属结构特性对排水性能的影响。研究结果表明:泡沫金属的孔密度越大，孔隙率越低，重力方向高度越大，排水性越差；疏水改性下5～40PPI泡沫金属的排水性能增强，残余水量减少26%～60%；亲水改性下5～10PPI泡沫金属的排水性能增强，残余水量最多降低23%，但15～40PPI泡沫金属的排水性能减弱，残余水量最多增大13%。

关键词:除湿；泡沫金属；结构；排水；多孔介质；流动

引 言

除湿是保证环境空气品质、抑制细菌滋生、防止物质腐蚀霉变的重要手段[1]。目前应用最广泛的除湿方法是冷却除湿[2-3]，即通过换热器空气侧的翅片冷表面与湿空气接触，使湿空气中水蒸气在翅片表面凝结析出。增强冷却除湿效果的关键在于尽可能增大冷表面与空气的接触面积[4]。与传统翅片管式换热器相比，泡沫金属具有超大比表面积[5-7]，应用于除湿换热器替代传统“肋片”可明显增加冷表面与湿空气的接触面积，从而有效地提高除湿效果[2]。

泡沫金属纤维弯曲、倾斜且相互交叉连接，使得析出的凝结液极易附着并累积在纤维表面或纤维交叉处[8]。如果凝结液不能及时排出泡沫金属，就会抑制除湿的持续高效进行。采用泡沫金属替代传统“肋片”开发高效除湿换热器，关键是保证泡沫金属中湿空气析出的凝结液的及时排出[9-10]。

不同结构特性下，泡沫金属纤维的粗细和纤维间的距离不同，导致冷凝液体排出的难易程度不同[8]。保证泡沫金属中湿空气冷凝液的及时排出，必须明确结构对泡沫金属排水性能的影响。

目前已有对于排水性能的研究主要针对翅片管换热器[11-18]，关于泡沫金属的排水性能，只涉及孔密度对排水性能影响的研究[19]。其结果表明，泡沫金属的排水性能优于翅片管换热器[19]。已有的研究只分析了孔密度的影响，对于孔隙率、沿重力方向高度等因素没有进一步的分析，研究结果也只针对一种表面特性。到目前为止，对不同表面特性下结构特性对泡沫金属排水性能的影响没有相关的研究报道，必须进行实验研究。

本文的目的是通过实验得出不同结构泡沫金属的排水性能变化规律，分析不同材料及表面特性下结构参数对泡沫金属排水性能的影响。

1　实验设计

1.1 实验目的与实验设计

研究排水特性必须实现对泡沫金属稳定残余水量的测量。动态浸入实验方法简便，能高效迅速反映排水性能[13]。因此本文选用动态浸入法实时测量泡沫金属样件的残余水量，通过残余水量大小反映排水性能。基于这一目的设计了泡沫金属排水性测试实验台，如图1所示。

实验台包括3个部分:①泡沫金属浸入和脱离装置；②泡沫金属悬挂固定装置；③泡沫金属质量动态测量装置。

图1　泡沫金属排水性测量实验台Fig.1 Picture of experimental rig

泡沫金属浸入和脱离装置包括水槽、排水阀等部件，其中，水槽提供一定液位蒸馏水浸没泡沫金属样件；排水阀用于排除水槽中的蒸馏水。悬挂固定装置包括铝合金支架、称重传感器、螺纹挂钩等部件，其中，支架用于固定称重传感器；泡沫金属悬挂在螺纹挂钩，再连接到称重传感器。泡沫金属质量动态测量装置包括稳压电源、数据采集仪和计算机，实时测量称重传感器（量程200 g，误差±0.1 g）测得的泡沫金属及其上附着液体的总质量。

1.2 实验样件

本实验构造了普通、亲水和疏水3种不同特性表面，使用蒸馏水在表面上的前进接触角和后退接触角表征表面特性。

泡沫金属的结构参数设为孔密度，孔隙率和重力方向高度。泡沫金属的孔隙率选取为85%、90% 和95%；孔密度选取为5、10、15、20和40PPI；泡沫金属高度选取为40、60、80、100和140 mm。

表面改性涂层的制备通过化学腐蚀法和分子自组装技术实现。其中，亲水表面改性使用碱辅助氧化法形成氧化铜亲水层实现；疏水表面改性使用正十二硫醇分子基团自组装技术实现。表面改性前后的泡沫金属如图2所示。改性后的泡沫金属纤维表面的前进接触角和后退接触角如表1所示。

图2　表面改性的泡沫金属样件Fig. 2 Picture of metal foam test samples

表1　泡沫金属纤维表面的接触角Table 1 Contract angle of tested metal foam

1.3 实验步骤

详细的实验操作步骤如下:

（1）将泡沫金属样件悬挂在螺纹挂钩，连接到压力传感器。此时水槽内无蒸馏水。由称重传感器测量泡沫金属样件的自身质量M1。

（2）往水槽内注入蒸馏水，直到蒸馏水位浸没泡沫金属样件。使用超声波振荡去除泡沫金属样件上的气泡。

1.4 实验数据处理及误差分析

本文需要得到的是泡沫金属样件在动态浸入实验中的表面残余水量。由实验步骤可知，两次测得的质量差 M2—M1即单块泡沫金属上的残余水量。泡沫金属样件单位体积残余水量为

将改性后与改性前的残余水量之比定义为残余水量比β，用来衡量表面特性对排水性能的影响，计算式为

由Moffat方法[20]可求得，单位体积残余水量的最大误差为10%；β的最大误差为20%。

2　结果与讨论

2.1 孔密度对排水性能影响的实验结果与分析

不同表面特性下孔密度对排水性能的影响如图3所示。

由图3(a)可知，不同表面下残余水量都随孔密度增大而增大；5～40PPI，普通表面残余水量增大了500%，亲水表面增大了733%，疏水表面增大了371%。孔密度为5PPI时，亲水和疏水表面的残余水量均小于普通表面。原因在于5PPI泡沫金属纤维直径较粗、纤维间距较大，残余液体在普通表面形成较大的液滴；在亲水表面形成液膜，容易流走，残余水量减少；在疏水表面形成小液滴，滚动性增强，也容易滚动排出泡沫金属。随着孔密度的增大，纤维直径减小、纤维间距减小，疏水表面小液滴更易流走，而亲水表面的液膜由于纤维间距减小容易相互联结，导致在孔密度为40PPI时亲水表面的残余水量大于普通表面和疏水表面。

与 Han等[19]对泡沫铝的排水性实验数据的对比如图3(b)所示。由图可知，泡沫铝的残余水量随孔密度的增大而增大，泡沫铜的排水性好于泡沫铝。

饲料投喂有两种投喂方式，即干法投喂和湿法投喂。在投喂过程中可以先用干法投喂，直接使用高档加州鲈膨化饲料直接投喂，人工定点在摄食台附近干撒。湿法投喂，需要设置饲料台，一般使用半圆的网池用竹竿悬挂在池塘离水面10～15cm深度处，将膨化饲料添加适当水分，制备成面团状态，每团50～100g放置于投料台，让鱼苗自由摄食，这种湿法投喂主要是在下午喂完最后一餐后进行的，因为夜晚鱼苗还会饥饿，若饥饿找不到食物吃而发生残食，鱼苗的成活率会低。

图3　不同孔密度的泡沫金属的残余水量Fig.3 Water retention of metal foams with different pore density

由图3(c)可知，残余水量比β在亲水改性时随着孔密度的增大从0.77增大到1.13，在疏水改性时随着孔密度的增大从0.54下降到0.4。β值的变化说明随着孔密度的增大，疏水改性对排水性能的强化效果增强，而亲水改性对排水性能的强化效果减弱，高PPI下，亲水改性恶化排水性能。该现象的原因在于表面改性改变了残余液滴的形态:高PPI下，亲水改性表面的残余液体以液桥的形式残留在泡沫金属纤维之间，不能使凝结液迅速排出；疏水改性表面的残余液体则以小液滴的形式附着在纤维表面和交叉点上，促进了凝结液的排出。

2.2 孔隙率对排水性能影响的实验结果与分析

不同表面特性下孔隙率对排水性能的影响如图4所示。

图4　不同孔隙率的泡沫金属的残余水量Fig.4 Water retention of metal foams with different porosity

由图4(a)可知，3种润湿性表面的泡沫金属的残余水量都随孔隙率增大而减小；孔隙率从85%变化到95%时，普通表面残余水量减少了18%，亲水表面减少了21%，疏水表面减少了18%。这一现象的原因在于随着孔隙率增大，泡沫金属纤维直径减小、比表面积减小，导致残余水量减小。

由图4(b)可知，随着孔隙率从85%增大95%，疏水改性的残余水量比β从0.67下降到0.45，疏水改性对排水性能的强化作用增强；亲水改性的β从1.06下降到1.03，亲水改性对排水性能的恶化作用减弱。疏水改性使残余液滴直径更小，孔隙率越高，泡沫金属纤维直径越小，液滴就越难以附着，因此孔隙率增大时疏水改性的效果变好。亲水改性使残余液体形成液膜和液桥，纤维直径减小使液桥更难跨接在不同纤维之间，因此亲水改性的恶化效果减弱。

2.3 高度对排水性能影响的实验结果与分析

高度对排水性能的影响如图5所示。

图5　不同高度的泡沫金属样件的残余水量Fig.5 Water retention of metal foams with different height

由图5(a)可知，3种表面特性下残余水量都随重力方向高度的增大而增大，但随高度增大的斜率不同。对于亲水改性和普通表面泡沫金属，残余水量随高度的变化接近指数变化。对于疏水改性表面泡沫金属，残余水量随高度的变化接近于线性变化。

这一现象的原因在于不同表面特性下残余水的形态不同。亲水和常规表面特性下，残余水主要以液膜和液桥的形式存在，随着高度的增加，泡沫金属下部形成的液桥迅速增多，残余水量近似于指数增大；而在疏水表面特性下，残余水主要以金属纤维表面和纤维连接处附着的小液滴形式存在，尺寸较大的液滴能迅速滚落，脱离样件，因此残余水量近似于线性增大。

由图5(b)可知，孔密度为15PPI时，亲水改性的残余水量比β近似于1，改性对排水性几乎没有影响；而疏水改性的β从0.77下降到0.53，说明对排水性的增强效果随着高度的增大而增强。排水性能增强的原因在于疏水改性后残余水形成的小液滴附着在表面上，附着量只和表面面积有关。普通表面的残余水为液膜和液桥，其附着量与表面积和高度都有关，高度增大时液桥迅速增多。因此对于重力方向高度较大的样件，疏水表面的改性效果更好。

3　结 论

（1）3种表面特性下，泡沫金属孔密度越大，孔隙率越低，沿重力方向高度越大，排水性都越差。

（2）在不同结构下亲水改性对排水性能的影响不同。5PPI下，泡沫金属残余水量减小了23%，40PPI下残余水量增大了13%，亲水改性在低孔密度下强化了排水性，在高孔密度下恶化了排水性。

（3）在不同结构下疏水改性都提高了泡沫金属的排水性，疏水改性后残余水量减少24%～60%。

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2015-12-24收到初稿，2016-04-09收到修改稿。

联系人:胡海涛。第一作者:赖展程（1994—），男，硕士研究生。

Received date: 2015-12-24.

中图分类号:TK 124

文献标志码:A

文章编号:0438—1157（2016）07—2756—05

DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20151958 10.11949/j.issn.0438-1157.20141657. WENG X M, HU H T, ZHUANG D W, et al. Analysis of influence factors for heat transfer and pressure drop characteristics of moist air in metal foams during dehumidifying process [J].CIESC Journal, 2015, 66(5): 1649-1655. 10.11949/j.issn.0438-1157.20141657.

基金项目:国家自然科学基金项目（51576122）；上海市自然科学基金项目（15ZR1422000）。

Corresponding author:HU Haitao, huhaitao2001@sjtu.edu.cn supported by the National Natural Science Foundation of China (51576122) and the Natural Science Foundation of Shanghai (15ZR1422000).

Influence of structure on drainage performance of metal foam

LAI Zhancheng, HU Haitao, ZHUANG Dawei, DING Guoliang
(Institute of Refrigeration & Cryogenics Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Abstract:Metal foam has very large specific surface area, and it has great potential in dehumidification. The key for designing metal foam heat exchanger for dehumidification is to promote the drainage performance of metal foam. The influence of structure factors on drainage performance of metal foam with three different surface wettability was investigated by dynamic dip test in this study. The results showed that, the drainage performance was deteriorated with the increase of pore density or height and promoted with the increase of porosity. For hydrophobic samples, the drainage performance of 5—40PPI metal foams was promoted, while water retention was reduced by 26%—60%. For hydrophilic samples, the drainage performance of 5—10PPI metal foam was promoted with the maximum reduction of water retention of 23%, while the drainage performance of 15—40PPI metal foam was deteriorated with the maximum increment of water retention of 13%.

Key words:dehumidification; metal foam; structure; drainage; porous media; flow