相变装置中填充泡沫金属的传热强化分析

在探讨相变装置中填充材料对传热性能的影响时，泡沫金属作为一种新型填充材料越来越受到重视。泡沫金属是一种新型轻质多功能材料，它在金属基体中均匀分布着大量连通和不连通的孔洞，其结构具有密度小、孔隙率高、比表面积大等特点。本文通过简化泡沫金属结构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，并与传统的金属翅片填充方式进行对比分析。 固－液相变储能装置由于其恒温性好、相变潜热大，能有效解决短时、周期性大功率电子器件的散热问题，因而得到广泛应用。这类装置的一个主要问题在于相变材料普遍导热率较低，限制了装置的热性能。为了解决这一问题，通常会在装置中添加金属翅片、金属网格、金属或石墨粉末等填充材料。泡沫金属作为填充材料的引入，是为了解决传统填充材料热性能不足的问题，从而改善相变储能装置的传热性能。 泡沫金属能够改善热传导能力的主要原因在于其内部结构，它具有较高的比表面积和多孔的特性，这些结构特点使得泡沫金属在传热方面具备独特的优势。通过在相变材料中填充泡沫金属，可以有效增加材料内部的热流通道，从而提高热量交换的效率。在实际应用中，泡沫金属的空隙率与孔密度是两个非常重要的参数，空隙率是指材料中孔隙体积与总体积的比例，孔密度则通常用每单位长度（如每英尺）内孔洞的数量来表示。空隙率和孔密度的不同会影响泡沫金属的传热效果。 在具体分析中，研究者通过建立一维传热模型，并应用热阻分析的方法，计算了填充金属翅片和泡沫金属后相变储能装置的有效导热系数。在两种不同的填充方式（并联和串联）下，分别推导出有效导热系数的数学表达式，并对泡沫铜、泡沫铝和铜、铝翅片填充石蜡的情况进行了对比。研究结果表明，泡沫金属能够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。 在泡沫金属结构分析的基础上，研究者还探讨了金属纤维的结构特性，如金属纤维连接处的简化模型、构成六边形金属纤维边的长度、金属纤维的宽度、结块半径等，以及这些参数如何影响导热层的导热系数。 最终，这项研究得出的结论对相变储能装置的设计提供了理论指导，指出了泡沫金属填充材料的优势，并为未来的实际应用和进一步的研究工作奠定了基础。需要注意的是，尽管这项研究在理论上取得了一定的成果，但实际应用中还需考虑泡沫金属的成本、加工难度等因素，这些因素同样会对装置的整体性能和经济效益产生影响。