3D打印热交换器优化了性能 效果提高了20倍

2021年9月22日，伊利诺伊大学利用3D打印技术生产了下一代超小型热交换器，实现了高达2000%的性能提升。为了设计出创新的几何形状，工程师们开发了具有拓扑优化功能的三维热交换器设计软件。这款软件专门用于优化现有的热交换器设计，以最大限度地提高传热，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。机械科学与工程教授William King说："我们开发了形状优化软件来设计高性能的热交换器，软件使我们能够识别出与传统设计明显不同且更好的3D设计。"

△优化的3D打印热交换器的效果图，图片来自伊利诺伊大学

热交换器优化设计的必要性

热交换器主要用来将热能从A点转移到B点。它们在很多行业中都非常重要，几乎所有产生热量的复杂系统都要用到热交换器。包括发电系统、运输、石油和天然气加工、水淡化和消费电子产品的热管理。目前，全球范围内有数以百万计的热交换器在使用，它们的性能和效率对于降低碳排放非常重要。人们需要高表面积的热交换器，以促进有效的散热，同时也要做到紧凑和轻巧。在像航空航天这样的一些行业，部件的尺寸和质量对系统的性能、范围和成本有直接影响。

在过去的几十年里，热交换器的设计并没有什么变化。主要是受限于传统制造技术，没有能力制造复杂的结构，比如优化热流的内部通道。然而，随着金属3D打印技术的发展，以前被认为不可能的3D热交换器设计可以轻松地制造出来。所需要的只是一个专门的软件工具来设计新的、更有效的设备。

优化的管中管热交换器

开发团队使用三维设计软件，开发了一种特殊类型的热交换器，叫作管中管交换器，经常用于饮用水系统和建筑能源系统中。管中管交换器的特点是内管嵌套在外管中。他们设计时还在管子的内部设置了一组集成翅片，这是3D打印技术才能实现的内部设计特征。设计确定下来之后，工程师们就用AlSi10Mg打印了热交换器，并在实验室环境中进行了性能测试。3D打印的热交换器的功率密度为26.6瓦/立方厘米，比功率为15.7千瓦/千克，比同类的商业热交换器高20倍左右。机械科学与工程系副教授Nenad Miljkovic说："我们设计、制造并测试了一个优化的管中管热交换器，优化后的热交换器的体积功率密度比目前最先进的商业管中管设备高约20倍"。

△热交换器的内部结构和周围系统，图片来自伊利诺伊大学

这项研究已经发表在论文 "Ultra-power-dense heat exchanger development through genetic algorithm design and additive manufacturing "中。它是由Hyunkyu Moon、Davis McGregor、Nenad Miljkovic和William King共同撰写的。