案例洞悉工程师怎样通过3D打印技术将换热器性能提高 20倍

在热交换器领域，AM -增材制造的优势在于能够将热交换器芯和歧管作为单个整体部件生产。传统上生产热交换器的方法是制造单独的翅片或板并将它们粘合或焊接在一起。这是一种手动技术，如果任何这些钎焊接头之间出现故障，都可能导致热交换器出现故障。因此，3D打印所实现的在单个制造过程中生产所有内部结构是有利的。本期，通过最新的案例：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的一组研究人员使用 3D 打印技术生产了下一代超紧凑型换热器，性能提升高达 2000%，来洞悉管中管换热器的概念与价值。

© 亚琛Fraunhofer IPT研究所

复杂成就更高性能

为了实现新颖的几何形状，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员通过专用的 3D 换热器设计软件，具有拓扑优化功能。该计划专门用于优化现有的热交换器设计，以最大限度地提高热传递，同时最大限度地减少零件重量，这可能对能源、电子和航空航天等行业产生重大影响。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员开发了形状优化软件来设计高性能热交换器，据称该软件使研究人员能够识别与传统设计明显不同且更好的 3D 设计。

优化的 3D 打印热交换器的渲染图© 伊利诺伊大学

 推进热交换器的必要性

热交换器仅用于将热能从 A 点传递到 B 点，这在大多数主要行业中都至关重要，并且几乎在每个产生热量的复杂系统中都有其特色。这包括发电系统、运输、石油和天然气加工、海水淡化和消费电子产品的热管理。

随着当今世界上数以百万计的热交换器投入使用，就全球可持续性和降低能耗而言，热交换器的性能和效率变得比以往任何时候都更加重要。市场上需要高表面积设备，以促进有效的热流，同时又要小巧轻便。在航空航天等一些行业中，这种组合尤其重要，因为零件尺寸和质量对系统性能、范围和成本有直接影响。

不幸的是，根据伊利诺伊州研究人员的说法，热交换器设计在过去几十年中并没有发生太大变化。受传统制造技术的限制，无法集成复杂的结构，例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，以前被认为不可能的 3D 热交换器设计可以轻松制造。所需要的只是一个专门的软件工具来设计新的、更高效的设备。

 一种优化的管中管换热器

使用其 3D 设计软件，该团队研究了一种特殊类型的换热器，称为管中管换热器，顾名思义，管中管换热器的特点是内管嵌套在外管内。伊利诺伊州的设计还在管子的内部有一组集成翅片——只有通过 3D 打印技术才能实现的内部设计特征。

优化设计完成后，工程师使用 AlSi10Mg 打印换热器，并在实验室环境中对其进行性能测试。发现该设备的功率密度为 26.6 W/cm3，比功率为 15.7 kW/kg，据报道比同类商用换热器高出约 20 倍。

换热器的内部结构和周边系统© 伊利诺伊大学

 组合发挥创新优势

在材料方面，增材制造可用于生产各种材料的热交换器，根据3D科学谷的市场观察，从铝合金一直到高温合金，如 Inconel 718 和 Inconel 625，以及其他材料，如铜和铜合金也可以使用，这些材料是传热应用的理想选择。其中根据3D科学谷全球战略合作伙伴AMPower预测，3D打印铜合金的年增长率将达到46.6%。这来自于热交换器，燃烧室，铜感应器等产品的应用发展。

© 《3D打印与换热器及散热器白皮书》

这使得热交换器的设计与材料组合充满想象空间。

澳大利亚皇家墨尔本理工大学的研究人员开发了一套由喷气燃料驱动的下一代 3D 打印热交换器，这种涂有合成矿物（称为沸石）的金属热交换器，可能可以解决高超音速飞行的关键最大问题之一：过热。

其他的案例还包括GE 的研发部门 GE Research 最近在高达 900°C 的温度下成功测试了新型 3D 打印热交换器原型。这是与马里兰大学和橡树岭国家实验室一起设计的，该热交换器具有独特的葡萄状几何形状，使其具有极高的耐热和耐压特性。

 挑战与机遇并存

不过必须小心，因为虽然通过3D打印所带来的热交换器表面积的增加会提高热交换效率，但是也会带来热交换器的压降。表面积和压降之间的这种平衡是换热器设计人员每天都面临的平衡挑战。

此外，增材制造带来的最大的挑战往往是在验证和测试阶段，包括如何确保所有的粉末都已从通道中清除，并且所有的壁都已在内部完美地创建。当前有许多无损测试技术，例如用于检查粉末的共振测试或用于检查结构完整性的 CT 扫描。然而，CT 扫描可能是一个昂贵的过程。此外，如果采用 Inconel 等致密材料生产换热器，甚至不可能深入表面几厘米以检查部件的完整性。