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关键里程碑,GE在近900°C温度下成功测试了3D 打印下一代热交换器

时间:2021-06-25 11:34 来源:3D科学谷 作者:中国3D打印网 阅读:

     在发电设备中,热交换器与人体肺部的功能相似。肺可以循环人体呼吸的空气,使身体保持最佳性能,同时调节身体的温度。像燃气轮机这样的发电设备中的热交换器基本上执行相同的功能,当然这些热交换器工作在极端的温度和压力条件下。

       自 2019 年初以来,GE Research 一直在通过高级研究计划署 (ARPA-E) 的材料和制造工艺高强度热交换计划 (HITEMMP) 领导一个 下一代热交换器的项目,以开发高温、高压和超紧凑型热交换器,可在现有和下一代发电厂和喷气发动机平台中实现更清洁、更高效的发电。能够以更高的温度运行动力涡轮机和喷气发动机意味着更高的效率水平。

如今,这一项目获得了关键的里程碑进步:GE在比传统设备高出接近 400°F 的温度下成功测试了3D 打印的UPHEAT超高性能热交换器。

Video Cover_GE_Upheat© GE

葡萄带来的启发

     从调节在飞机上呼吸的空气到保持汽车发动机、计算机和其他电子设备的凉爽,热交换器执行着重要的功能,并且在人类的日常生活中无处不在。对于 GE 而言,这些设备如何以最清洁、最高效的方式为世界提供稳定的大规模发电和喷气推进至关重要。

      GE Research 是 GE 的创新中心,将研究与现实相结合,由 1,000 多名科学、工程和营销人员(500 多名博士)组成的世界级团队,在物理和市场、物理和数字技术的交叉点以及广泛的行业中工作,以提供改变世界的为GE的客户提供创新和能力。而GE的UPHEAT超高性能热交换器正是由GE Research 负责的。

       GE的UPHEAT超高性能热交换器的核心制造技术是3D打印技术,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。

Valley_Heat3D打印热交换器的优势©3D科学谷《3D打印与换热器及散热器白皮书(下篇)

block 关键里程碑

        目前的设计在超过 1,650 °F (近900°C)的温度(这远远超出当今最先进的设备 200°C 以上)和 >3,600 psi (近250bar)的压力下运行,GE Research 的首席工程师将这一突破归功于3D打印-增材制造带来的新材料和设计突破,3D 打印工艺和设计工具提供的设计自由使得GE的科学家们能够更快地开发、构建和测试以前不可能实现的新型热交换器设计。

在设计、模拟、构建和测试了一系列热交换器原型后,GE团队采用了一种类似于葡萄的独特设计,这种结构能够承受更高的温度和压力。团队在水果的结构中观察到一组薄壁单位细胞的组成,这一结构的启发促成了完成这一关键里程碑。

GE_Heat_Grape© GE

GE团队有望在 2022 年第一季度项目结束时在全温度(900°C(1652°F)和压力(3,626 psi)下构建和测试其最终原型)。

         根据GE,这种新的热交换器设计将打破效率障碍,GE正在利用其在金属和热管理方面的深厚知识,并以前所未有的方式应用它,通过3D打印的力量,GE现在可以实现以前传统制造工艺无法制造的设计。通过3D打印-增材制造工艺,GE和马里兰大学现在将探索更复杂的仿生学形状的设计,以实现热交换器性能的逐步改变,从而实现更高的效率和更低的排放。

材料方面,这种新型换热器利用独特的耐高温,抗裂的镍基超合金,这是GE研究团队为增材制造工艺而设计的材料。橡树岭国家实验室将利用其在腐蚀科学方面的专业知识来测试和验证材料的长期性能。

block 重新定义热交换器

      GE有一项专利中显示GE通过3D打印重新定义了热交换器。例如,流体通道可以是曲线的,并且可以包括小于0.25mm厚的热交换翅片,并且形成为每厘米多于十二个热交换翅片的翅片密度。另外,热交换翅片可以相对于流体通道的壁成角度,并且相邻的翅片可以相对于彼此偏移。这种热交换结构可以类似地用于汽车,航空,海事和其他工业中,以帮助流体之间的热传递。

       通过应用3D打印技术,降低了热传导路径的热阻,同时保持或降低了系统的重量。根据3D科学谷的了解,GE所开发的热管理系统的技术特点包括重量轻、热阻低、形状不受限制,结构一体化等优点。在商业方面的突出优势包括可实现定制化设计、更低的制造价格、更多的功能以及相同体积的更多热元件。

       可以说,在以产品功能实现为主导的正向设计方面,热交换器和散热器方面,正在发生产品设计层面上的不断的创新,这些创新将以商业化实现的方式提升人类热管理的效率和能力。不少的公司在3D打印热交换器和散热器方面获得了进展。其中包括在航空航天领域的GE、雷神公司、诺思罗普·格鲁曼公司、Unison Industries公司;在汽车领域的HiETA Technologies与雷尼绍合作开发的换热器,Conflux所开发的新型高效热交换器ConfluxCore以及菲亚特克莱斯勒(FCA汽车集团)开发的铝制散热器;在IT电子领域微软、IBM、Ebullient LLC等公司开发的微处理器冷却解决方案以及热管理系统。

(责任编辑:中国3D打印网)

weixin
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