热交换器正在发生变革,下一代换热器与散热器正在来临。热交换器被用于许多系统中,从汽车到空调单元到先进热处理系统中的能量回收装置。本期,3D科学谷特别分享美国能源技术研究所通过3D打印平行流换热器应用方面的进展。

block 更随形免焊接

     通常,热交换器的设计必须考虑各种因素。例如,结垢可能导致压降增加和传热速率降低,这会对热交换器效率产生不利影响。此外,热交换器可能受到高速流体(气体或液体)流动的影响,颗粒负载会提高系统某些区域的磨损率。当热交换器在升高的温度下操作时,侵蚀问题会加剧。类似地,通过热交换器的流体可能含有酸或其他腐蚀性物质,甚至在升高的温度下甚至会使热交换器的内部降解腐蚀掉。

     对于平行流热交换器,流体可以彼此平行或反平行地流动(即,并流逆流),这减少了热交换器内流体停滞的可能性。并且利用平行流,热交换器可以在一个维度上膨胀(即,增加长度同时保持宽度相同)以增加传热面积,从而最小化对压力和速度的影响。

      当然歧管还可以包括多个通道,举例来说第四个方向不同于另外三个方向,通过这种方式,歧管能够使来自三个不同流体源的流体在热交换器内平行流动。

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热交换器的歧管透视图。来源:US 10401096B2

    为了进一步最小化停滞的可能性并保持高流速,流体进入歧管的方式可包括一组扩散器以适当地引导流动。3D打印用于制造热交换器中的歧管,不需要专业焊接或其他复杂的制造方式,并可以应用不同的曲率半径,

    而在操作温度和耐腐蚀性方面,可以选择253MA不锈钢或Incolnel镍基合金等金属材料,热交换器可在高温、高腐蚀性环境中连续运行。此外,为了控制热膨胀问题,表面必须是薄壁的,3D打印为薄壁结构的制造提供了可行性。

    总体来说,美国能源技术研究所通过3D打印平行流热交换器的歧管,可接收多个热流体源和单个相对冷的流体源,使得热量从热流体传递到相对冷的流体。3D打印避免了焊接的需求,并且使得歧管实现薄壁结构。

block Review

     面向下一代的热交换器制造,不少公司已经进行了战略性的布局,其中2019年GE宣布与马里兰大学和橡树岭国家实验室合作研发UPHEAT超高性能换热器,在两年半内完成开发计划,实现更高效的能量转换和更低的排放。GE希望新型换热器将在超过900°C的温度和高于250 bar的压力下运行,超临界CO2动力循环的热效率提高4%,在提高动力输出的同时减少排放。

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3D打印的热交换器。来源:TEMISTh

    而另外一个项目,AddUp,Sogeclair和TEMISTh合作的HEWAM项目,开发的Inconel 718材料热交换器,确保薄壁(<0.5mm)无泄漏和薄翅片(0.15mm)。

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3D打印热交换器的优势。

       换热器与散热器对设备可以长效稳定运行起到了关键的作用,3D打印用于换热器和散热器的制造满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势。特别是用于异形、结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分复杂的形状、点阵结构等加工,3D打印具有传统制造技术不具备的优势。


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更新日期: 2019-9-15
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