Modelling of heat transfer in open cell metal foams

Abstract

High porosity metal foams are excellent candidates for high heat dissipation. They are employed in aerospace applications mainly, but their use has been widened to include cooling in Electronic Packaging. Other important applications have been found taking advantage of the thermal properties of the metal foam. These applications include compact heat exchangers for airborne equipment, regenerative and dissipative air-cooled condenser towers, and compact heat sinks for power electronics. The low relative density, open porosity and high thermal conductivity of the cell edges, as well as the large accessible surface area per unit volume, and the ability to mix the cooling fluid, all make metal foam heat exchangers efficient, compact and light weight. The purpose of this work is to provide an analytical model to determine the two-dimensional temperature distribution in open cell metal foams when they are used in a forced convective heat transfer mode. The analysis uses the typical parameters reported by the foam manufacturers such as the porosity and the area density, defined as the ratio of the surface area of the foam to the volume. The simplicity and applicability of the present approach offer a significant advantage over previous models. It eliminates the need for complex microscopic analytical or numerical modeling of the flow and the heat transfer in and around the pores. The correlations obtained experimentally through this research also have a great importance in the model proposed.

Las esponjas de metal altamente porosas son candidatos excelentes para generar gran disipación de calor. Son empleadas en la industria aerospacial principalmente, pero su uso ha ido ampliándose para enfriamiento en dispositivos electrónicos. Se han encontrado aplicaciones importantes aprovechando las propiedades térmicas de las esponjas de metal. Estas aplicaciones incluyen intercambiadores de calor compactos para equipos de aire, torres condensadoras enfriadas por aire de tipo regenerativo y disipativo, y sumideros de calor compactos para electrónica de potencia. La baja densidad relativa, porosidad abierta y alta conductividad térmica de los bordes de la celda, así como la gran área superficial por unidad de volumen y su habilidad para mezclar el fluido refrigerante, todo junto hacen que los intercambiadores de calor creados con esponja de metal sean eficientes, compactos y de bajo peso. El propósito de este trabajo es proveer un modelo analítico para determinar la distribución de temperatura en dos dimensiones en esponjas de metal de celdas abiertas cuando son usadas en un modo de transferencia de calor por convección forzada. El análisis usa los parámetros típicos reportados por los manufacturadores de la esponja de metal tales como porosidad y densidad de área, definida como la razón de área superficial de la esponja al volumen de la misma. La simplicidad y aplicabilidad de la presente aproximación ofrece significantes ventajas sobre modelos previos. Este análisis elimina la necesidad de modelación analítica a nivel microscópico o modelación numérica compleja del flujo y transferencia de calor en y alrededor de los poros. Las correlaciones obtenidas experimentalmente a través de esta investigación también tienen una gran importancia en el modelo propuesto.