熱交換器正在發(fā)生變革，下一代換熱器與散熱器正在來臨。熱交換器被用于許多系統(tǒng)中，從汽車到空調(diào)單元到先進(jìn)熱處理系統(tǒng)中的能量回收裝置。本期，魔猴網(wǎng)特別分享美國能源技術(shù)研究所通過3D打印平行流換熱器應(yīng)用方面的進(jìn)展。

更隨形免焊接

通常，熱交換器的設(shè)計必須考慮各種因素。例如，結(jié)垢可能導(dǎo)致壓降增加和傳熱速率降低，這會對熱交換器效率產(chǎn)生不利影響。此外，熱交換器可能受到高速流體（氣體或液體）流動的影響，顆粒負(fù)載會提高系統(tǒng)某些區(qū)域的磨損率。當(dāng)熱交換器在升高的溫度下操作時，侵蝕問題會加劇。類似地，通過熱交換器的流體可能含有酸或其他腐蝕性物質(zhì)，甚至在升高的溫度下甚至?xí)篃峤粨Q器的內(nèi)部降解腐蝕掉。

對于平行流熱交換器，流體可以彼此平行或反平行地流動（即，并流逆流），這減少了熱交換器內(nèi)流體停滯的可能性。并且利用平行流，熱交換器可以在一個維度上膨脹（即，增加長度同時保持寬度相同）以增加傳熱面積，從而最小化對壓力和速度的影響。

當(dāng)然歧管還可以包括多個通道，舉例來說第四個方向不同于另外三個方向，通過這種方式，歧管能夠使來自三個不同流體源的流體在熱交換器內(nèi)平行流動。

熱交換器的歧管透視圖。來源：US 10401096B2

為了進(jìn)一步最小化停滯的可能性并保持高流速，流體進(jìn)入歧管的方式可包括一組擴(kuò)散器以適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)流動。3D打印用于制造熱交換器中的歧管，不需要專業(yè)焊接或其他復(fù)雜的制造方式，并可以應(yīng)用不同的曲率半徑，

而在操作溫度和耐腐蝕性方面，可以選擇253MA不銹鋼或Incolnel鎳基合金等金屬材料，熱交換器可在高溫、高腐蝕性環(huán)境中連續(xù)運(yùn)行。此外，為了控制熱膨脹問題，表面必須是薄壁的，3D打印為薄壁結(jié)構(gòu)的制造提供了可行性。

總體來說，美國能源技術(shù)研究所通過3D打印平行流熱交換器的歧管，可接收多個熱流體源和單個相對冷的流體源，使得熱量從熱流體傳遞到相對冷的流體。3D打印避免了焊接的需求，并且使得歧管實現(xiàn)薄壁結(jié)構(gòu)。

Review

面向下一代的熱交換器制造，不少公司已經(jīng)進(jìn)行了戰(zhàn)略性的布局，其中2019年GE宣布與馬里蘭大學(xué)和橡樹嶺國家實驗室合作研發(fā)UPHEAT超高性能換熱器，在兩年半內(nèi)完成開發(fā)計劃，實現(xiàn)更高效的能量轉(zhuǎn)換和更低的排放。GE希望新型換熱器將在超過900°C的溫度和高于250 bar的壓力下運(yùn)行，超臨界CO2動力循環(huán)的熱效率提高4％，在提高動力輸出的同時減少排放。

3D打印的熱交換器。來源：TEMISTh

而另外一個項目，AddUp，Sogeclair和TEMISTh合作的HEWAM項目，開發(fā)的Inconel 718材料熱交換器，確保薄壁（<0.5mm）無泄漏和薄翅片（0.15mm）。

3D打印熱交換器的優(yōu)勢。

換熱器與散熱器對設(shè)備可以長效穩(wěn)定運(yùn)行起到了關(guān)鍵的作用，3D打印用于換熱器和散熱器的制造滿足了產(chǎn)品趨向緊湊型、高效性、模塊化、多材料的發(fā)展趨勢。特別是用于異形、結(jié)構(gòu)一體化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分復(fù)雜的形狀、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等加工，3D打印具有傳統(tǒng)制造技術(shù)不具備的優(yōu)勢。

來源：3D科學(xué)谷