Thermohydraulische studie van metaalschuim als alternatief voor louvered fins in warmtewisselaars

Sven De Schampheleire
Persbericht

Thermohydraulische studie van metaalschuim als alternatief voor louvered fins in warmtewisselaars

 Sven De Schampheleire

Kan schuim de wereld redden?

Energie wordt de komende decennia belangrijker dan ooit tevoren. Olie en natuurlijke gasbronnen geraken uitgeput, steenkool zorgt voor een te hoge CO2-uitstoot en hernieuwbare energiebronnen (wind, zon en biomassa) staan nog in hun kinderschoenen. Op korte en middellange termijn zijn prestatieverbeteringen aan bestaande toestellen daarom van groot belang. Verwarmingstoestellen zijn volgens een studie van een gerenommeerd consultancybureau, McKinsey, verantwoordelijk voor 30% van de totale energieconsumptie bij gezinnen. Een kleine verbetering in de prestatie van verwarmingstoestellen zal op middellange termijn grote en duurzame effecten hebben op welvaart en milieu. Deze prestatieverbetering gebeurt op twee niveaus: optimalisatie en/of het gebruik van nieuwe materialen. Een nieuw materiaal dat sinds het vorige decennium vaak in wetenschappelijke literatuur opduikt, is metaalschuim.

 

Metaalschuim is als een luchtig geklopt eiwit: het zit vol met kleine luchtbelletjes. Rond deze luchtbelletjes zit dan metaal, aan elkaar geweven als een spinnenweb. Metaalschuim heeft twee typische grootheden: porositeit en PPI. Porositeit wordt gedefinieerd als de verhouding van het volume lucht op de hoeveelheid metaal in een volledige blok metaalschuim. Naast de porositeit is ook het aantal luchtbelletjes per lengte-eenheid van groot belang, dit wordt in de literatuur uitgedrukt als de PPI-waarde: Pores Per Inch.

De hoge porositeit van metaalschuim (>90%) zorgt voor een extreem laag gewicht, terwijl het toch nog bestand is tegen zware schokken. Het materiaal beschikt over een grote thermische geleidbaarheid en een groot beschikbaar oppervlak om warmte mee te wisselen.  Vandaar de idee om metaalschuim te gebruiken in een warmtewisselaar.

Een warmtewisselaar is de belangrijkste component in een verwarmingstoestel. Deze wisselt energie (bijvoorbeeld: warm water afkomstig van een stookinstallatie) met de omgevingslucht. Een eenvoudig voorbeeld van een warmtewisselaar is een radiator. Een typische warmtewisselaar bestaat uit (koperen) buizen waar warm water doorloopt. Over deze buizenbundel wordt een luchtstroom aangebracht, via een ventilator. De koude luchtstroom wordt hierdoor opgewarmd en de waterstroom afgekoeld.

Om de warmte-uitwisseling zo efficiënt mogelijk te laten verlopen, worden er vinnen op deze buizen geplaatst. Deze vinnen zijn in contact met de warme buizen en zullen opwarmen. Op deze manier vergroot je het contactoppervlak tussen de koude lucht en het warme water.

Het eerste vintype was circulair van vorm. Circulaire vinnen zijn eigenlijk dunne ringetjes (vergelijkbaar met donuts) die op de buizen worden geplaatst, heel dicht bij elkaar. Vintypes zijn vervolgens stelselmatig verbeterd en geoptimaliseerd. Metaalschuim is één van de laatste nieuwe types.

Metaalschuim wordt op de buizen geplaatst via een expansieproces. Er worden gaten in het metaalschuim geboord, waar dan de koperen buizen worden doorgestoken. Door de buizen te expanderen wordt het thermisch contact tussen het metaalschuim en de buis verzekerd. Hoe beter het thermische contact, hoe meer warmte zich zal verplaatsen in het metaalschuim.

De zelf gemaakte warmtewisselaar met metaalschuim  wordt in dit onderzoek vergeleken met een commerciële state-of-the-art warmtewisselaar. De gebruikte vinnen in dit toestel zijn louvered fins. Dit zijn rechthoekige plaatjes die op verschillende punten worden ingedrukt om zoveel mogelijk oppervlakte beschikbaar te stellen t.o.v. de aankomende stroming.

De uitgewisselde warmte (het vermogen) wordt voor beide warmtewisselaars gemeten bij verschillende snelheden van de luchtstroom. De ventilator wordt dus harder of zachter gezet. Naast de uit te wisselen warmte is ook de drukval over de warmtewisselaar aan luchtzijde van groot belang. Drukval is het verschil in druk tussen de inkomende (koude) luchtstroom en de uitgaande (opgewarmde) luchtstroom. Hoe groter dit verschil, hoe groter de ventilator die je nodig hebt en dus, hoe groter het energieverbruik en de kost.

Het warmtewisselend vermogen kan geschreven worden in functie van de convectiecoëfficiënt. Convectie is het belangrijkste mechanisme voor deze vorm van warmtewisseling en ontstaat door een verschil in temperatuur (verschil tussen inkomende en uitgaande luchttemperatuur) en een verschil in druk. De convectiecoëfficiënt is evenredig met het vermogen en is dus best zo hoog mogelijk. Beide grootheden (de convectiecoëfficiënt en de drukval) worden gecombineerd tot een prestatiefactor.

Dit unieke (!) prototype met metaalschuim  heeft een prestatiefactor die slechts 5 tot 50% lager is dan die van de commercieel beschikbare warmtewisselaar (hoogste verschil bij de hoogste luchtsnelheid). Dit prestatieverschil is lager dan verwacht, aangezien het prototype metaalschuim nog moet geoptimaliseerd worden:

 

  • In dit onderzoek is 10 PPI schuim gebruikt. Dit is niet zo’n dens schuim: het heeft dus een lage drukval, maar ook een lage convectiecoëfficiënt.  Bij verhoging van de PPI zullen zowel drukval als de convectiecoëfficiënt stijgen. De gecombineerde prestatiefactor zal hierdoor waarschijnlijk stijgen.
  • De techniek waarop gaten in het metaalschuim worden gemaakt kan nog bijgeschaafd worden. Gaten boren zorgt voor een vrij ruwe afwerking. Indien er gebruik gemaakt wordt van vonkerosie (waarbij vonken het metaalschuim verwijderen) zou er een veel hogere afwerking mogelijk zijn en dus een veel beter thermisch contact. Uit de literatuur blijkt dat hierdoor een verhoging in prestatie van 5 tot 15% kan mogelijk zijn.

Wanneer er op deze vlakken vooruitgang wordt geboekt, dan kunnen we in de toekomst het totale energieverbruik sterk reduceren en dit zal in het licht van energiebesparing, energietekorten en schadelijke uitstoten belangrijke consequenties hebben. Er is grote interesse uit de automobielsector (o.a. gewichtsbesparing) en metaalschuim wordt reeds gebruikt als koelvin voor LED lampjes en computer-processoren. Dus ja, metaalschuim kan de wereld redden. 

 

Bibliografie

 [1] McKinsey. (2007). Curbing global energy demand growth: the energy productivity opportunity.pages: 48. 

[2] M. De Paepe, "Thermische installaties," ed: Universiteit Gent. Vakgroep voor stroming, warmte en verbranding, Faculteit Ingenieurswetenschappen, 2009.[3] T.J. Lu, L. Valdevit en  A.G. Evans, Active cooling by metallic sandwich structures with periodic cores, Progress in Materials Science vol. 50, pp. 789-815, 2005.[4] K. Boomsma, D. Poulikakos en  F. Zwick, Metal foams as compact high performance heat exchangers, Mechanics of Materials, vol. 35, pp. 1161-1176, 2003.[5] C.Y. Zhao, T.J. Lu, H.P. Hodson en  J.D. Jackson, The temperature dependence of effective thermal conductivity of open-celled steel alloy foams, materials science and engineering vol. 367, pp. 123-131, 2004.[6] C. T'Joen, et al., Thermo-hydraulic study of a single row heat exchanger consisting of metal foam covered round tubes, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 53, pp. 3262-3274, 2010.[7] P. Khayargoli, V. Loya, L.P. Lefebvre en  M. Medraj, The impact of microstructure on the permeability of metal foams, CSME Forum, pp. 220-228, 2004.[8] Camille Perrot, Raymond Panneton en  Xavier Olny, Periodic unit cell reconstruction of porous media: Application to open-cell aluminum foams, Journal of applied physics, vol. 101, pp. 113538-1 - 113538-11, 2007.[9] A. Kopanidis, A. Theodorakakos, E. Gavaises en  D. Bouris, 3D numerical simulation of flow and conjugate heat transfer through a pore scale model of high porosity open cell metal foam, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 53, pp. 2539-2550, 2010.[10] K. Boomsma en  D. Poulikakos, On the effective thermal conductivity of a three-dimensionally structured fluid-saturated metal foam, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 44, pp. 827-836, 2001.[11] D. Edouard, M. Lacroix, C. Pham Huu en  F. Luck, Pressure drop modeling on SOLID foam: State-of-the art correlation, Chemical Engineering Journal, vol. 144, pp. 299-311, 2008.[12] I. Ghosh, Heat transfer correlation for high-porosity open-cell foam, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 52, pp. 1488-1494, 2009.[13] N. Dukhan, et al., One-dimensional heat transfer analysis in open-cell 10-ppi metal foam, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 48, pp. 5112-5120, 2005.[14] S. Krishnan, S. V. Garimella en  J. Y. Murthy, Simulation of Thermal Transport in Open-Cell Metal Foams: Effect of Periodic Unit-Cell Structure, Journal of Heat transfer, vol. 130, pp. 024503-1 - 024503-5, 2008.[15] W.H. Hsieh, J.Y. Wu, W.H. Shih en  W.C. Chiu, Experimental investigation of heat-transfer characteristics of aluminum-foam heat sinks, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 47, pp. 5149-5157, 2004.[16] P. De Jaeger, "Open cell aluminum foam applied in an automotive heat exchanger," presented at the 7e International conference on heat transfer, fluid mechanics and thermodynamics, Antalya, Turkey, 2010.[17] TAL North America. (2010). Product Showcase TAL LED B4. [18] S. Mahjoob en  K. Vafai, A synthesis of fluid and thermal transport models for metal foam heat exchangers, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 51, pp. 3701-3711, 2008.[19] J-P. Bonnet, F. Topin en  L. Tadrist, Flow Laws in Metal Foams: Compressibility and Pore Size Effects, Transp Porous Med, vol. 73, pp. 233-254, 2008.[20] N. Dukhan en  C. A. Minjeur, A two-permeability approach for assissing flow properties in metal foams, journal of porous mater, 2010.[21] N. Dukhan, Correlations for the pressure drop for flow through metal foam, Exp. Fluids, vol. 41, pp. 665-672, 2006.[22] N. Dukhan en  P. Patel, Equivalent particle diameter and length scale for pressure drop in porous metals, Experimental Thermal and Fluid Science, vol. 32, pp. 1059-1067, 2008.[23] Sander Van Herzeele en  Niels Vorst, "Thermohydraulische studie van een warmtewisselaar met beschuimde buizen bij lage luchtsnelheden," Ingenieurswetenschappen, Universiteit Gent, Gent, 2009.[24] S. Mancin, C. Zilio, A. Cavallini en  L. Rossetto, Pressure drop during air flow in aluminum foams, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 53, pp. 3121-3130, 2010.[25] Simone Mancin, Luisa Rossetto, Claudio Zillio en  Alberto Cavallini, "Convective air heat transfer through 10 ppi aluminum foams," presented at the Proceedings of the 14th International heat transfer conference, Washington DC, USA, 2010.[26] A. Bhattacharya, V.V. Calmidi en  R.L. Mahajan, Thermophysical properties of high porosity metal foams, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 45, pp. 1017-1031, 2002.[27] J.W. Paek, B.H. Kang, S.Y. Kim en  J.M. Hyum, Effective Thermal Conductivity and Permeability of Aluminum Foam Materials, International Journal of Thermophysics, vol. 21, pp. 453-464, 2000.[28] S.Y. Kim, J.W. Paek en  B.H. Kang, Flow and heat transfer correlations for porous fin in a plate-fin heat exchanger, Journal of Heat transfer, vol. 122, pp. 572-578, 2000.[29] J.F. Liu, W.T. Wu, W.C. Chiu en  W.H. Hsieh, Measurement and correlation of friction characteristic of flow through foam matrixes, Experimental Thermal and Fluid Science, vol. 30, pp. 329-336, 2006.[30] N. Dukhan en  K. P. Patel, "Entrance and Exit Effects for Fluid Flow in Metal Foam," presented at the Porous Media and Its Applications in Science, Engineering, and Industry, USA, 2010.[31] V.V. Calmidi en  R.L. Mahajan, Forced convection in high porosity metal foams, Journal of Heat transfer, vol. 122, pp. 557-565, 2000.[32] N. Dukhan, R.P-Feliciano en  A.R. Alvarez-Hernandez, Heat transfer analysis in metal foams with low-conductivity fluids, Journal of Heat transfer, vol. 128, pp. 784-792, 2006.[33] R. J. Moffat, J.K. Eaton en  A. Onstad, A methode for determining the heat transfer properties of foam-fins, Journal of Heat transfer, vol. 131, pp. 011603-1 - 011603-7, 2009.[34] P.S. Liu, A new method for calculation the specific surface area of porous metal foams, Philosophical magazine letters, vol. 90, pp. 447-453, 2010.[35] S. Krishnan, J. Y. Murthy en  S. V. Garimella, Direct simulation of transport in open-cell metal foam, Journal of Heat transfer, vol. 128, pp. 793-799, 2006.[36] Z. Dai, et al., Correcting and extending the Boomsma-Poulikakos effective thermal conductivity model for three-dimensional, fluid-saturated metal foams, International Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 37, pp. 575-580, 2010.[37] C.Y. Zhao, S.A. Tassou en  T.J. Lu, Analytical considerations of thermal radiation in cellular metal foams with open cells, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 51, pp. 929-940, 2008.[38] R. Singh en  H.S. Kasana, Computational aspects of effective thermal conductivity of highly porous metal foams, Applied Thermal Engineering, vol. 24, pp. 1841-1849, 2004.[39] I. Kurtbas en  N. Celik, Experimental investigation of forced and mixed convection heat transfer in a foam-filled horizontal rectangular channel, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 52, pp. 1313-1325, 2009.[40] H. Huisseune, et al., Thermal hydraulic study of a single row heat exchanger with helically finned tubes, Journal of Heat transfer, vol. 132, pp. 061801-1 - 061801-8, 2010.[41] Pieter Brodeoux en  Stefanie Debaets, "Presentatiestudie van 'mono-finned tubes'," Ingenieurswetenschappen, Universiteit Gent, Gent, 2008.[42] I. Ghosh, How good is open-cell metal foam as heat transfer surface? , Journal of Heat transfer, vol. 131, pp. 101004-1 - 101004-8, 2009.[43] R. K. Shah en  Dusan P. Sekulic. (2003). Fundamentals of heat exchanger design [44] Z. Dai, et al., "A comparison of metal foam heat exchangers to compact multilouver designs for air-side heat transfer applications," presented at the Internation conference on Enhanced, Compact and Ultra-compact Heat Exchangers: From Microscale Phenomena to Industrial Applications, 2009.[45] Benjamin Cooman, "Experimentele presentatiestudie van een 'metal foam' warmtewisselaar," Ingenieurswetenschappen, Universiteit Gent, Gent, 2010.[46] C. T'Joen en  M. De Paepe, Heat exchanger behavior in non uniform flow, experimental heat transfer, vol. 19, pp. 281-296, 2008.[47] C. T'Joen, A. Willockx, H.-J. Steeman en  M. De Paepe, Performance prediction of compact fin and tube heat exchangers in maldistributed airflow, heat transfer engineering, vol. 28, pp. 986-996, 2007.[48] Young-Gil Park, Rational approaches for combining redundant, independent measurements to minimize combined experimental uncertainty, experimental thermal and fluid science, vol. 34, pp. 720-724, 2010.[49] David S. Moore en  George P. McCabe, Statistiek in de parktijk vol. 5: Academic Service, 1994.[50] C. T'Joen, A. Jacobi en  M. De Paepe, Flow visualisation in inclined louvered fins, Experimental thermal and fluid science, vol. 33, pp. 664-674, 2009.[51] C. T'Joen, H.-J. Steeman, A. Willockx en  M. De Paepe, Determination of heat transfer and friction characteristics of an adapted inclined louvered fin, Experimental thermal and fluid science, vol. 30, pp. 319-327, 2005.[52] C. T'Joen, A. Willockx, H.-J. Steeman en  M. De Paepe, thermohydraulic characteristics of inclined louvered fins, Sixth internaltional conference on enhanced compact and ultra compact heat exchangers, p. 8, 2007.[53] C-C Wang en  K-Y Chi, Heat transfer and friction characteristics of plain fin-and-tube heat exchanger, part I: new experimental data, International journal of heat and mass transfer, vol. 43, pp. 2681-2691, 2000.[54] C-C. Wang, K-Y Chi en  C-J Chang, Heat transfer and friction characteristics of plain fin-and-tube heat exchangers, Part II: correlation, International journal of heat and mass transfer, vol. 43, pp. 2693-2700, 2000.[55] Sven Claessens en  Piet Van Impe, Warmteoverdracht- en frictiekarakteristiek van inclined louvered fins. Gent: Ugent, 2006.

Universiteit of Hogeschool
Burgerlijk ingenieur: werktuigkunde elektrotechniek, optie: mechanische energietechniek
Publicatiejaar
2011
Kernwoorden
Share this on: