Journal Article

Porosity effect on thermal and fluid dynamic behaviors of a compact heat exchanger in aluminum foam

MANCA, Oronzio, ERCOLE, Davide, BUONOMO, Bernardo, Anna DI PASQUA

2018

Overview

Les mousses métalliques constituent une catégorie relativement récente de matériaux utilisés dans différentes applications, telles que: dissipateurs de chaleur compacts, opérations géothermiques, échangeurs de chaleur et centrales thermiques solaires. L'utilisation de mousses métalliques dans les échangeurs de chaleur leur confère efficacité, compacité et légèreté pour la porosité ouverte, une conductivité thermique élevée et une grande surface accessible par unité de volume. Une étude numérique a été menée pour évaluer les comportements thermiques et hydrodynamiques d'un échangeur de chaleur tubulaire en mousse d’aluminium. La condition d’énergie non thermique d’équilibre est considérée comme ce qui permet d’exécuter des simulations bi-dimensionnelles sur l’échangeur thermique en mousse métallique. Les mousses examinées sont caractérisées par une porosité distincte, de 0,90 à environ 0,97, pour différentes valeurs de pores par pouce égales à 5, 10, 20 et 40. Différents débits d'air et une température de tube de surface assignée sont imposés. Les résultats sont donnés en termes de coefficient de transfert de chaleur et de nombre de Nusselt local évalués sur la surface externe du tube. Les paramètres globaux typiques dans un échangeur de chaleur compact, tels que l'efficacité et le NTU, sont présentés. De plus, les profils de température et de vitesse de l'air local sont présentés dans la section transversale, entre deux tubes consécutifs. Enfin, le Rapport Performance Énergie (RPE) est présenté afin de démontrer l'efficacité des mousses métalliques. Metal foams are a relatively recent category of materials used in different applications, such as: compact heat sinks, geothermal operations, heat exchanger and solar thermal plants. The use of metal foams in heat exchangers gives it efficiency, compact and light for the open porosity, a high thermal conductivity and a large accessible surface area per unit volume. A numerical study has been conducted to evaluate the thermal and fluid dynamic behaviors of a tubular aluminum foam heat exchanger. The thermal non-equilibrium energy condition is considered to execute two-dimensional simulations on metal foam heat exchanger. The examined foams are characterized by distinct porosity, from 0.90 to about 0.97, for different values of pores per inch, equal to 5, 10, 20 and 40. Different air flow rates and an assigned surface tube temperature are imposed. The results are given in terms of heat transfer coefficient and local Nusselt number evaluated on the external surface of the tube. Typical global parameters in a compact heat exchanger, such as effectiveness and NTU, are showed. Moreover, local air temperature and velocity profiles are presented in the cross section, between two consecutive tubes. Finally, the Energy Performance Ratio (EPR) is showed in order to demonstrate the effectiveness of the metal foams.

• Publisher: International Information and Engineering Technology Association (IIETA)
• Subject: Accessibility / Aerodynamics / Air flow / Air temperature / Aluminum / Compacts / Computational fluid dynamics / Computer simulation / Effectiveness / Energy dissipation / Flow velocity / Fluid dynamics / Fluid flow / Foamed metals / Heat exchangers / Heat sinks / Heat transfer coefficients / Metal foams / Porosity / Solar heating / Solar thermal electric power plants / Thermal conductivity / Tubes / Velocity distribution