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.