世界能源需求以每年約1.3%速度增長(zhǎng)，節(jié)能減排是國(guó)家重要發(fā)展策略之一，所以在能源應(yīng)用領(lǐng)域（熱轉(zhuǎn)換，儲(chǔ)熱和熱量利用）的節(jié)能設(shè)備備受關(guān)注。

泡沫金屬是美國(guó)的科學(xué)家Sosnick于1948年提出的一種材料加工技術(shù)[1]，圖1所示為由金屬韌帶型骨架和孔隙單元相互連接的開(kāi)放單元形成的一種孔穴，每個(gè)開(kāi)放單元（孔穴）包括12~14個(gè)五邊形或六邊形面，材料以鋁、鋼、鎳、銅、陶瓷和金屬合金為主，既具有連續(xù)相金屬的優(yōu)良特性又具有離散相氣孔的特性。因此，金屬泡沫有以下幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)表征：孔徑是開(kāi)孔的平均直徑，范圍為0.1~10 mm；骨架直徑是金屬骨架的平均直徑；孔隙密度是每英寸上孔的數(shù)目，與胞體尺寸、孔隙尺寸以及筋肋尺寸有關(guān)；孔隙率ε是通過(guò)樣品的質(zhì)量和體積測(cè)量而得到的孔隙體積分?jǐn)?shù)，范圍為80%~99%，可按孔穴是否通透分為開(kāi)孔和閉孔兩類。由于流體流動(dòng)且換熱的特性，在能源領(lǐng)域應(yīng)用多為開(kāi)孔型，其內(nèi)部有連續(xù)暢通的三維孔結(jié)構(gòu)，固體骨架之間存在有孔隙，流體可在孔隙內(nèi)流動(dòng)，孔隙率ε>80%、比表面積大(1000~5000 m2/m3)、導(dǎo)熱系數(shù)大、換熱性能好[2]，多用在熱交換器、電子冷卻、燃料電池[3]。在能源設(shè)施中應(yīng)用于內(nèi)嵌泡沫金屬的換熱器、太陽(yáng)能集熱器、太陽(yáng)能接收器、蓄熱器等。

1. 泡沫金屬熱力學(xué)特性

1.1 泡沫金屬的流動(dòng)阻力特性

泡沫金屬的阻力特性表現(xiàn)在金屬骨架的阻礙和流固摩擦引起的機(jī)械能損失。對(duì)于流體的阻力特性，結(jié)合Darcy定律[4]，阻力損失表現(xiàn)為黏性阻力和慣性阻力。進(jìn)一步修正Darcy模型，添加速度效應(yīng)項(xiàng)，獲得Darcy?Forchheimer模型。與土壤相比，金屬泡沫具有較大的滲透性，在Darcy定律基礎(chǔ)上Brinkman提出Darcy?Brinkman模型用于描述多孔介質(zhì)中的滲透?？紤]有效項(xiàng)，三個(gè)模型修正后得到Darcy?Brinkman?Forchheimer 模型，表1為金屬泡沫中的流體流動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算通用模型。

式中，?p為流經(jīng)多孔區(qū)域時(shí)流體的壓降，Pa；L為流體為流經(jīng)多孔區(qū)域的長(zhǎng)度，m；u為多孔區(qū)域截面上平均流速，m/s；ux、uy、uz為u在x、y、z方向的速度分量，m/s；μ為流體動(dòng)力黏度，Pa·s；cp為定壓比熱容，J/(kg·K)；K為多孔材料的滲透率；ε為孔隙率；ρ為流動(dòng)工質(zhì)的密度，kg/m3。

1.2 泡沫金屬的傳熱特性

為表征多孔材料的傳熱性能，將其定義為有效導(dǎo)熱系數(shù)[5]。

式中，keff為有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；kcod-sol為固體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；kcod-gas為氣體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；kcov為對(duì)流換熱傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；krad為熱輻射傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

上式可見(jiàn)，包含固體導(dǎo)熱、氣體導(dǎo)熱和對(duì)流輻射換熱的綜合過(guò)程，各種傳熱模式相互耦合。

其中，輻射換熱經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，F為傳熱面積，m2；εeff為發(fā)射率；σ為斯提芬波爾赫茲常數(shù)5.67×10−8W/(m2·k4)；ΔTm為輻射表面溫差，K；D為多層周期性立方體元胞泡沫金屬光譜等效衰減系數(shù)，取0.1~1.0。

固體和氣體導(dǎo)熱換熱模型分為2大類[6]：一類是將單元模型切割為多塊，使用熱阻的串并聯(lián)公式計(jì)算有效導(dǎo)熱系數(shù)；另一類是將多孔材料視作等效連續(xù)介質(zhì)。表2中5種基本理論邊界模型進(jìn)行有效導(dǎo)熱系數(shù)的分區(qū)，其中，兩種組元材料分別記為材料1和材料2，體積分?jǐn)?shù)分別為v1和v2導(dǎo)熱系數(shù)分別為k1和k2，這些理論模型可直接用于計(jì)算具備相應(yīng)孔隙結(jié)構(gòu)的多孔材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)keff，也可檢驗(yàn)新方法及新模型所得計(jì)算結(jié)果是否合理，對(duì)研究多孔材料的傳熱性能具有重要價(jià)值。

2. 內(nèi)嵌泡沫金屬換熱器

結(jié)合關(guān)鍵特性參數(shù)（孔隙率、孔形和分布特性等）和構(gòu)效關(guān)系對(duì)流阻阻力影響規(guī)律研究，添加流動(dòng)傳熱特性設(shè)計(jì)得到傳熱結(jié)構(gòu)特性和構(gòu)效關(guān)系[7]。

（1）當(dāng)孔隙率相近的情況下，泡沫金屬的傳熱系數(shù)要大于板翅式結(jié)構(gòu)，但同時(shí)其流動(dòng)阻力也更大些；

（2）在需要相同的泵功率條件下，泡沫金屬換熱器的熱阻比幾種常見(jiàn)的商用換熱器的熱阻低2~3倍；

（3）在振蕩流下的泡沫金屬換熱器比穩(wěn)定流下具有更高的傳熱效率；

（4）填充泡沫金屬的管子的傳熱系數(shù)是普通管的3倍；

（5）在板翅式換熱器的翅片中間加入泡沫金屬，制成新型填充泡沫金屬的板翅式換熱器，換熱性能是傳統(tǒng)板翅式換熱器的1倍多，是普通泡沫金屬換熱器的2倍；

（6）推斷泡沫金屬固體和空氣之間的溫差證明泡沫金屬換熱器內(nèi)存在非局部熱力平衡現(xiàn)象，且隨著孔隙率和孔密度的增加會(huì)加劇換熱器內(nèi)非局部熱平衡的現(xiàn)象，溫差會(huì)隨著雷諾數(shù)的減小而增加。

在暖通領(lǐng)域，制冷機(jī)組應(yīng)用管殼式換熱器（圖2），從能源利用率方面考慮通過(guò)在內(nèi)部的管程和殼程填充泡沫金屬，一方面利于強(qiáng)烈的氣流通過(guò)，另一方面金屬壁產(chǎn)生局部渦流與紊流，從而使散熱器的熱阻降低，提高散熱效率。

綜上所述，開(kāi)孔泡沫金屬應(yīng)用在換熱器中，其強(qiáng)化傳熱效果十分明顯，但是同時(shí)壓力損失也很大。在實(shí)際的換熱器設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)時(shí)不但要考慮換熱器的傳熱特性，還要考慮其阻力特性，同時(shí)需要選擇合適的材料并在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

利用二維數(shù)值模擬的方法來(lái)研究填充開(kāi)孔泡沫金屬的圓管中完全發(fā)展的強(qiáng)制對(duì)流傳熱，在泡沫金屬區(qū)域，用Brinkman流動(dòng)模型來(lái)描述流體輸送，采用局部非熱平衡模型來(lái)表示流體?能量交換。在泡沫金屬?流體界面處，提出了溫度的界面耦合條件并用于推導(dǎo)出解析解，導(dǎo)出速度和溫度曲線，獲得摩擦系數(shù)和努塞爾數(shù)Nu的顯式表達(dá)式。通過(guò)利用改變不同參數(shù)來(lái)研究特征參數(shù)對(duì)泡沫金屬傳熱特性和阻力特性的影響趨勢(shì)，為泡沫金屬傳熱特性的模擬研究提供了一個(gè)新方法。

3. 泡沫金屬應(yīng)用于太陽(yáng)能裝置

平板太陽(yáng)能集熱器（如圖3所示）作為一種典型的非聚光太陽(yáng)能集熱器在工業(yè)領(lǐng)域具有商業(yè)用途，金屬泡沫作為熱增強(qiáng)劑被研究應(yīng)用于太陽(yáng)能集熱管解決其通量密度不均勻以及輻射吸收板和太陽(yáng)能之間的對(duì)流流體效率低的問(wèn)題。Odabaee和Hooman[8]研究了輻射和泡沫形狀參數(shù)對(duì)完全填充的薄平板太陽(yáng)能集熱器熱性能的影響。分析結(jié)果表明：輻射比泡沫形狀參數(shù)更顯著，并且在固定時(shí)壓降增加可忽略不計(jì)Nu相對(duì)提高了82%。Liu等[9]通過(guò)比較鰭片分析方法，得到結(jié)論：當(dāng)孔隙度增加到0.95時(shí)，熱量是平衡的，可以忽略非平衡效應(yīng)；并提出Gibson?Ashby模型是可有效地預(yù)測(cè)熱阻。

為了獲得更高效率的功率循環(huán)，中央接收器采用幾何設(shè)計(jì)以改善熱量傳遞到工作流體的速率并最大限度地減少熱量損失。圖3（a）和圖3（b）太陽(yáng)能集熱器通常采用多孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)傳入的集中太陽(yáng)輻射的傳播溫度可達(dá)到1500 °C。 James和Cristina[10]設(shè)計(jì)并測(cè)試了一種陶瓷泡沫吸收劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，輻射熱損失大，泡沫溫度平均可達(dá)到1350 °C，流體溫度為730 °C。Bernhard等[11]設(shè)計(jì)一個(gè)多孔陶瓷吸收體的太陽(yáng)能收集器，采用的材料為碳化硅，其孔隙率為78.5%，孔隙密度為每英寸30，在800 °C時(shí)加熱效率達(dá)到60%。Zaversky等[12]進(jìn)行研究分析表明，泡沫金屬塊厚度對(duì)傳熱性能的影響較弱，且厚度不應(yīng)大于30 mm?？梢缘玫浇Y(jié)論：內(nèi)填泡沫金屬塊厚度不大于30 mm時(shí)能夠增強(qiáng)集熱器的傳熱性能.

4. 泡沫金屬應(yīng)用于蓄熱裝置

熱能、太陽(yáng)能和風(fēng)能優(yōu)點(diǎn)是可再生能源，弊端是其具有非連續(xù)性，例如：聚光太陽(yáng)能發(fā)電廠和城市供熱，媒介介質(zhì)具有熱容量低和體積大的特點(diǎn)，當(dāng)使用熱容量較大、導(dǎo)熱率低的泡沫金屬材料與之進(jìn)行能量交換，會(huì)限制了系統(tǒng)的蓄熱效率和充電/放電時(shí)間，一般考慮將能量?jī)?chǔ)存在蓄熱、儲(chǔ)能裝置中，使用時(shí)被釋放。利用泡沫金屬是優(yōu)良的導(dǎo)熱材料，同時(shí)借助相變材料的調(diào)溫、儲(chǔ)熱量大、能源轉(zhuǎn)化率高的特點(diǎn)制作成復(fù)合型泡沫金屬相變儲(chǔ)能裝置，得以利用相變材料的儲(chǔ)能性，又可以利用泡沫金屬的高導(dǎo)熱性，兩種材料優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)。蓄熱（熱量）分為顯熱和潛熱，顯熱由泡沫金屬主導(dǎo)，潛熱是判斷相變材料蓄熱和放熱的主要參數(shù)，表3為泡沫金屬在蓄熱領(lǐng)域與相變材料疊加使用時(shí)研究匯總，表中為具有突出研究成果，證明通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或數(shù)值計(jì)算方法對(duì)泡沫金屬（鋁、銅、鎳、不銹鋼）內(nèi)填充相變材料（石蠟、二十烷、硝酸鈉、肉豆蔻醇、水等）進(jìn)行蓄熱特性研究，通過(guò)結(jié)果如：導(dǎo)熱系數(shù)、傳熱系數(shù)、傳熱速率、溫度、壓降而證明蓄熱性能是提升的。

5. 結(jié)論

根據(jù)泡沫金屬結(jié)構(gòu)特征及物理特點(diǎn)，調(diào)研泡沫金屬在暖通領(lǐng)域功能化應(yīng)用，分別從傳熱、集熱、蓄熱3方面論述其主要應(yīng)用及特性研究，主要調(diào)查結(jié)果如下：

（1）嵌入金屬泡沫的熱交換器是一種高效緊湊型換熱器，能夠使對(duì)流換熱系數(shù)增加3~9倍；不同材料（銅、鋁、鎳）可明顯提高強(qiáng)化換熱的能力，不同材料可使換熱系數(shù)不同；泡沫金屬中的傳熱理論中孔隙率、孔密度和滲透率孔隙尺度是決定傳熱有效的主要參數(shù)；參數(shù)中傳熱率、壓降、流固耦合的傳熱系數(shù)的是需要確定的主要參數(shù)，是換熱器的設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)參數(shù)。

（2）金屬泡沫被用于太陽(yáng)能集熱設(shè)施，由于泡沫金屬在這種高溫度情況下使用，熱輻射效應(yīng)明顯，占據(jù)了主導(dǎo)地位。傳熱過(guò)程中高溫下導(dǎo)熱與輻射傳熱的耦合效應(yīng)，以及泡沫金屬結(jié)構(gòu)的特殊性，使得影響泡沫金屬有效導(dǎo)熱系數(shù)和傳熱方式的因素多而復(fù)雜。常用的有直接吸收式太陽(yáng)能集熱器和體積式太陽(yáng)能集熱器，其中，吸收式集熱器是金屬泡沫對(duì)太陽(yáng)能吸收的影響是主導(dǎo)，金屬之間、泡沫和流體的熱傳遞間接影響太陽(yáng)能接收器的性能；體積式集熱器是利用空氣流動(dòng)和太陽(yáng)光能流進(jìn)裝置，幾何形狀和泡沫金屬的材質(zhì)配置占有主要因素。

（3）泡沫金屬由于結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和高效導(dǎo)熱性被應(yīng)用于熱能儲(chǔ)存裝置中，利用其高導(dǎo)熱系數(shù)、高孔隙率和高比表面積的特點(diǎn)，與相變材料蓄熱量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和無(wú)需消耗額外能量等特點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)疊加構(gòu)成復(fù)合相變材料，增強(qiáng)石蠟的熱傳遞，強(qiáng)化相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，研究中的改進(jìn)泡沫金屬在相變材料中布置方式、改變孔隙率和孔隙尺度、選擇材料等對(duì)復(fù)合系統(tǒng)的相變響應(yīng)時(shí)間、溫度分布、蓄熱時(shí)間和傳熱量有重要影響，為設(shè)備后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的理論基礎(chǔ)。

文章來(lái)源——金屬世界