一些低溫應(yīng)用，例如風(fēng)力發(fā)電廠的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，需要緊湊型制冷循環(huán)。熱交換器是低溫制冷循環(huán)冷箱中體積最大的部件。因此，減小它們的尺寸將有利于緊湊系統(tǒng)的開發(fā)。熱交換器的體積和性能很大程度上取決于通道的水力直徑和傳熱表面的效率。為了提高性能，業(yè)界已開發(fā)出具有優(yōu)化翅片幾何形狀的鋁制 3D 打印熱交換器概念。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高壓側(cè)和低壓側(cè)液壓直徑分別為 1.48 毫米和 1.07 毫米的翅片設(shè)計(jì)。分享的案例是EASITrain – 歐洲先進(jìn)的超導(dǎo)創(chuàng)新和培訓(xùn)所支持的用于緊湊型Brayton-布雷頓制冷循環(huán)的3D打印鋁低溫?fù)Q熱器研究。

 熱交換器© 3D科學(xué)谷白皮書

 更好的熱交換、更緊湊的形狀

 布雷頓冷循環(huán)

在發(fā)電設(shè)備中，熱交換器與人體肺部的功能相似。肺可以循環(huán)人體呼吸的空氣，使身體保持最佳性能，同時(shí)調(diào)節(jié)身體的溫度。像燃?xì)廨啓C(jī)這樣的發(fā)電設(shè)備中的熱交換器基本上執(zhí)行相同的功能，當(dāng)然這些熱交換器工作在極端的溫度和壓力條件下。對(duì)高溫超導(dǎo)體 (HTS) 日益增長(zhǎng)的興趣促使開發(fā)適合其冷卻的高效低溫系統(tǒng)，盡管再生式低溫冷卻器的性能不斷提高，但其升級(jí)能力有限。因此，為了提供更大的冷卻能力，必須應(yīng)用多個(gè)低溫冷卻器，布雷頓制冷循環(huán)的優(yōu)勢(shì)在這方面變得更加明顯。

然而，由于超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的外殼空間有限，旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的高溫超導(dǎo)應(yīng)用通常需要緊湊的冷卻系統(tǒng)。因此，為了提高布雷頓制冷循環(huán)與低溫冷卻器的競(jìng)爭(zhēng)力，應(yīng)減小冷箱尺寸。低溫制冷循環(huán)冷箱的容積主要由換熱器決定。因此，本案例通過(guò)3D打印小型高效低溫?fù)Q熱器，用于中等功率范圍的緊湊型布雷頓制冷循環(huán)。此前，GE采用了一種類似于葡萄的獨(dú)特設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)能夠承受更高的溫度和壓力。團(tuán)隊(duì)在水果的結(jié)構(gòu)中觀察到一組薄壁單位細(xì)胞的組成，這一結(jié)構(gòu)通過(guò)3D打印制造出來(lái)，應(yīng)用到超臨界二氧化碳（sCO2）布雷頓循環(huán)，降低能耗和排放。

除了葡萄形狀的薄壁結(jié)構(gòu)，本期案例分享的是“眼睛”鰭片幾何形狀的熱交換器在布雷頓循環(huán)的作用，該3D打印低溫?zé)峤粨Q器的專利正在由 H. Quack 教授申請(qǐng)。

高效緊湊型低溫?fù)Q熱器的概念

為了減少火用損失，低溫?zé)峤粨Q器需要在很小的溫差下提供強(qiáng)烈的熱傳遞。為此，需要大而有效的傳熱表面。另一方面，熱交換器、冷箱和安裝的成本以及冷箱的尺寸與熱交換器的體積成正比。因此，低溫?fù)Q熱器本質(zhì)上需要高效且緊湊。傳統(tǒng)制造方式下最標(biāo)準(zhǔn)的低溫?fù)Q熱器是盤繞式和鋁釬焊板翅式換熱器 (PFHX)，通道的水力直徑可小至 1.6 毫米，PFHX 可以有不同類型的翅片，例如普通、穿孔、人字形或鋸齒形。鋸齒狀翅片提供最密集的熱傳遞，因此在本案例中用作參考，不過(guò)，值得注意的是鋸齒狀翅片的幾何形狀也會(huì)導(dǎo)致最高的壓降。

熱交換器© 3D科學(xué)谷白皮書

為了進(jìn)一步增加緊湊性，根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，市場(chǎng)上已經(jīng)開發(fā)了其他類型的熱交換器。例如，矩陣式熱交換器曾經(jīng)是氦液化器的替代品，然而，盡管它們具有高致密性和低縱向傳導(dǎo)率，但由于密封層生產(chǎn)的可靠性差，它們并不常用于工業(yè)低溫應(yīng)用。

另一種新型緊湊型熱交換器是印刷電路熱交換器。它們是通過(guò)對(duì)金屬板中的微通道進(jìn)行化學(xué)蝕刻和板的進(jìn)一步擴(kuò)散結(jié)合來(lái)生產(chǎn)的，通過(guò)這種方法，可以實(shí)現(xiàn)低至 0.5 毫米的水力直徑。不過(guò)這極大地增加了成本并且使得它們對(duì)于低溫制冷循環(huán)的使用不合理。

一些特定的微通道換熱器已被開發(fā)用于需要小型冷卻器的空間應(yīng)用。例如，微型管殼式換熱器已被設(shè)計(jì)用于Turbo-Brayton 低溫冷卻器，該熱交換器的微管直徑約為 0.6 毫米。然而，這是手工制造的，因此價(jià)格昂貴。

因此，緊湊型換熱器發(fā)展的限制因素主要是制造工藝。通道的大小、使用的材料、可靠性和成本會(huì)受到生產(chǎn)能力的限制。隨著3D打印增材制造技術(shù)的發(fā)展，這些限制可以被克服。

3D打印技術(shù)允許生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的單個(gè)金屬部件，這使其有利于熱交換器的生產(chǎn)。

 最佳翅片幾何形狀

為了開發(fā)熱交換器翅片的最佳幾何形狀，可以考慮兩種方法。首先，應(yīng)該增加熱交換器幾何形狀的緊湊性，其次，應(yīng)該提高傳熱表面的效率。

3D打印熱交換器© 3D科學(xué)谷白皮書

案例中發(fā)現(xiàn)“眼睛”鰭片幾何形狀在層流區(qū)域中提供了出色的特性，并且相對(duì)于鋸齒狀鰭片允許低得多的比率。因此，在層流范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)較高的傳熱率和較低的壓降。這可以在縱向熱傳導(dǎo)可接受的條件下用于緊湊型低溫?fù)Q熱器?；谶@項(xiàng)研究，案例研究為回?zé)崾綗峤粨Q器開發(fā)了類似的幾何形狀。

最佳翅片幾何形狀：“眼”鰭翅片設(shè)計(jì)© ScienceDirect

所選擇的翅片幾何形狀基于代表流動(dòng)通道的菱形，低壓側(cè)和高壓側(cè)的折減系數(shù)分別為 0.75 和 0.82。盡管蓄熱器翅片應(yīng)該是對(duì)稱的以允許流體在兩個(gè)方向上流動(dòng)，但對(duì)稱性對(duì)于回?zé)崾綗峤粨Q器也是最佳的。

因此，可以創(chuàng)建具有幾乎恒定橫截面的均勻通道，以實(shí)現(xiàn)規(guī)則分布的流動(dòng)并避免流動(dòng)與壁分離。此外，為高壓翅片設(shè)計(jì)了一個(gè)中間通道，以補(bǔ)償較高的流體密度和所需的較高傳熱面積。因此，對(duì)于所提供的 6 mm 通道高度，低壓翅片和高壓翅片的相應(yīng)設(shè)計(jì)水力直徑分別為 1.48 mm 和 1.07 mm，低于 1.6 mm鋸齒狀鰭。

 3D打印換熱器樣品

為了研究金屬打印能力并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明預(yù)期的翅片特性，兩個(gè)原型熱交換器具有設(shè)計(jì)的翅片幾何形狀由 AlSi10Mg 鋁合金使用選區(qū)激光熔融金屬3D打印方法制造。

3D打印的換熱器樣品© ScienceDirect

換熱器中間有兩個(gè)低壓通道和一個(gè)高壓通道，除了設(shè)計(jì)的翅片外，還設(shè)計(jì)了直徑為1.4毫米的圓形翅片在每個(gè)通道的入口和出口，以實(shí)現(xiàn)更好的流量分配，流體集管采用平面法蘭連接設(shè)計(jì)。此外，在每個(gè)翅片的頂部略微加厚了翅片，以支持頂壁3D打印。不過(guò)實(shí)際3D打印出來(lái)的換熱器與設(shè)計(jì)存在差異，通過(guò)切割3D打印出來(lái)的樣品，可以觀察到3D打印和設(shè)計(jì)的翅片幾何形狀之間的差異，尤其是在高壓側(cè)。設(shè)計(jì)和打印的幾何圖形顯示在基本菱形上，可以發(fā)現(xiàn)厚度小于 0.2 毫米的邊緣沒(méi)有打印，這表明了當(dāng)前3D打印分辨率的限制。因此，通過(guò)顯微鏡測(cè)量，翅片具有半徑接近 0.23 毫米的邊緣圓角。

3D打印的換熱器樣品剖面© ScienceDirect

此外，可以看到由于3D打印誤差導(dǎo)致的翅片形狀略有不均勻，這說(shuō)明有必要考慮觀察到的3D打印能力，并在未來(lái)設(shè)計(jì)中相應(yīng)地調(diào)整翅片幾何形狀。因此，本案例中3D打印的翅片比設(shè)計(jì)的要小，水力直徑更大，最重要的是它適用于高壓翅片。另一個(gè)影響性能的參數(shù)是表面粗糙度，對(duì)于水平表面尤其高，會(huì)影響沿墻體的邊界層構(gòu)建。雖然高粗糙度會(huì)導(dǎo)致更高的壓降，但它對(duì)熱傳遞有積極影響。

熱交換器© 3D科學(xué)谷白皮書

通過(guò)對(duì)3D打印的換熱器的壓降和傳熱實(shí)驗(yàn)，以及通過(guò)ANSYS進(jìn)行仿真和數(shù)值研究表明，與傳統(tǒng)的板翅式換熱器相比，3D打印的換熱器具有更高的傳熱強(qiáng)度和更低的壓降。與 PFHX設(shè)計(jì)相比，3D打印的熱交換器的長(zhǎng)度可以減少一半，Brayton-布雷頓低溫制冷循環(huán)上得到了證明。

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