相变装置中填充泡沫金属传热强化分析.pdfVIP

相变装置中填充泡沫金属的传热强化分析1 张涛，余建祖 北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 （100083 ） E-mail：zhangtao@ 摘 要：为了改善固－液相变储能装置等一类部件的传热性能，常采用添加金属翅片、金属 网格、金属或石墨粉末等填充材料的办法。泡沫金属由于其结构的特殊性，作为填充材料越 来越受到科研工作者的重视，本文将泡沫金属结构简化为二维的循环扩展六边形网格形式， 从热阻分析入手，推导出有效导热系数与空隙率之间的数学关系式，并分别以泡沫铜、泡沫 铝填充石蜡为例与用铜、铝翅片并联和串联两种方式填充石蜡时的有效导热系数进行了对 比，从计算结果可以明确看出采用泡沫金属作为填充材料，其整体效果要优于翅片，可显著 改善相变储能装置的传热性能。 关键词：泡沫金属；空隙率；有效导热系数；热阻；相变材料 中图分类号：TK02 1. 引言 固－液相变储能装置有良好的恒温性以及巨大的相变潜热，能有效的解决短时、周期性 [1],[2] 大功率电子器件的散热问题，在国外航空、航天和微电子等系统上得到越来越广泛应用 。 但是常用的相变材料普遍具有导热率较低的缺点，难以满足现代高科技系统和装备上作业任 务的要求。为了改善相变储热装置的导热性能，通常在其中添加金属翅片、金属网格、金属 或石墨粉末等填充材料。泡沫金属是一种在金属基体中均匀分布着大量连通和不连通的孔洞 的新型轻质多功能材料，其结构具有密度小、孔隙率高、比表面积大等特点[3]，将其作为填 充材料运用到相变储能装置中以提高装置的整体热性能正越来越受到国内外研究人员的重 视，许多研究人员都在这方面作了大量工作[4],[5] 。国内大多数研究工作基本都处于试验摸索 和概念设计阶段，对运用泡沫金属所起到的作用从理论上进行说明的很少。 本文通过对泡沫金属的结构分析，建立了简化的一维传热模型，从基本的热阻分析入手 [6]，推导出泡沫金属作为填充物后相变储能装置的有效导热系数表达式，并与传统的翅片填 充情况进行了对比，结果表明泡沫金属作为填充材料能更有效地提高相变储能装置的热传导 能力，改善装置的热性能。 2. 有效导热系数推导 为了便于推导，我们只考虑一维传热的情况，并且假设在所考虑范围内只存在导热这一 种传热方式。 2.1 填充金属翅片 在相变材料中串联和并联两种翅片填充方式的传热模型分别如图1(a)和图1(b)所示。图 1(a)表示沿传热方向，翅片与相变材料并联；图 1(b)表示沿传热方向，翅片与相变材料串联。 1本课题得到航空科学基金（2004ZE51048 ）和教育部博士点基金（20040006012 ）的资助。 - 1 - 图1 两种翅片填充方式模型 (a) 并联，(b) 串联 在图1 的模型中，左右边界均取绝热边界，传热方向是沿着纵坐标方向，根据热阻分析 可以得到翅片串、并联填充时的有效导热系数分别为 k ⋅k k S s f （1） eff k l S /(l S +l S ) +k l /(l S +l S )