研究

工程师们使用3D打印技术将热交换器的性能提高了2000%

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一组研究人员伊利诺伊大学香槟分校采用3D打印技术生产下一代超紧凑型热交换器,性能提升高达2000%。

为了实现这种新颖的几何结构,工程师们开发了自己的专用三维热交换器设计软件,该软件具有拓扑优化功能。该计划专门设计用于优化现有热交换器设计,以最大限度地提高热传递,同时最小化零件重量,这可能对能源、电子和航空航天等行业产生重大影响。

“我们开发了形状优化软件来设计高性能的热交换器,”机械科学与工程教授、该研究的联合负责人威廉·金解释说。“该软件使我们能够识别出与传统设计明显不同、更好的3D设计。”

优化的3D打印热交换器的效果图。图片来自伊利诺伊大学。
优化的3D打印热交换器的效果图。图片来自伊利诺伊大学。

需要改进热交换器

热交换器只是用来将热能从A点转移到b点。热交换器在大多数主要工业中都是至关重要的,并且几乎在所有产生热量的复杂系统中都有其特点。这包括发电系统、运输、石油和天然气处理、海水淡化和消费类电子产品的热管理。

随着当今世界上数以百万计的热交换器的使用,它们的性能和效率在全球可持续性和减少能源消耗方面变得比以往任何时候都更加重要。我们需要高表面积的设备,促进有效的热流,同时也紧凑和轻量化。在航空航天等行业,这种组合尤其重要,因为部件的尺寸和质量直接影响系统性能、航程和成本。

不幸的是,据伊利诺伊州的研究人员称,换热器的设计在过去几十年中并没有发生太大的变化。受传统制造技术的限制,我们无法集成复杂结构,如优化热流的内部通道。然而,随着金属3D打印现在成为一种可行的选择,先前认为不可能的3D热交换器设计可以轻松制造。所需要的只是一个专用的软件工具来设计新的、更高效的设备。

一种优化的管内换热器

利用3D设计软件,该团队研究了一种叫做管中管式换热器的特殊类型的热交换器,这种换热器经常出现在饮用水系统和建筑能源系统中。顾名思义,管中管式换热器的特点是内管嵌套在外管中。伊利诺斯州的设计还在管道内部有一组集成鳍片,只有3D打印技术才能实现这一内部设计特征。

优化设计完成后,工程师们使用AlSi10Mg打印热交换器,并在实验室环境中对其进行性能测试。发现该装置的功率密度为26.6 W/cm3,比功率为15.7 kW/kg,据报道比同类商用热交换器高出约20倍。

“我们设计、制造并测试了一个优化的管中管式热交换器,”机械科学与工程副教授、该研究的联合负责人Nenad Miljkovic说。“我们优化的热交换器的体积功率密度比目前最先进的商用管中管设备高20倍左右。”

热交换器的内部结构和周围系统。图像通过伊利诺伊大学。
热交换器的内部结构和周围系统。图片来自伊利诺伊大学。

这项研究的更多细节可以在题为基于遗传算法设计和增材制造的超功率密集换热器开发”。由文玄奎、麦格雷戈、米伊科维奇、威廉·金等人共同撰写。

本月早些时候,加州大学的研究人员RMIT大学该公司开发了一套下一代芯片由喷气燃料驱动的3D打印热交换器.这种被称为3D打印的催化剂是金属热交换器,表面包裹着合成矿物质,也就是沸石。使用航空燃料作为冷却剂,它们可能是解决高超音速飞行最大问题之一:过热的关键。

在别处通用电气研究,美国企业集团的研发部门通用电气最近,该公司成功测试了自己的小说3D打印热交换器原型在高达900°C的温度下,沿着马里兰大学橡树岭国家实验室(ORNL), GE研究的亚尺度热调节装置具有独特的葡萄状几何形状,提供了极端耐热和耐压的特性。

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精选图像显示了优化的3D打印热交换器的渲染。图片来自伊利诺伊大学。