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3D打印優(yōu)化設(shè)計(jì)的熱交換器，性能提高了20倍

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2021年9月22日，伊利諾伊大學(xué)利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)了下一代超小型熱交換器，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)2000%的性能提升。為了設(shè)計(jì)出創(chuàng)新的幾何形狀，工程師們開發(fā)了具有拓?fù)鋬?yōu)化功能的三維熱交換器設(shè)計(jì)軟件。這款軟件專門用于優(yōu)化現(xiàn)有的熱交換器設(shè)計(jì)，以最大限度地提高傳熱，同時(shí)最大限度地減少零件重量，這可能對(duì)能源、電子和航空航天等行業(yè)產(chǎn)生重大影響。機(jī)械科學(xué)與工程教授William King說："我們開發(fā)了形狀優(yōu)化軟件來設(shè)計(jì)高性能的熱交換器，軟件使我們能夠識(shí)別出與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)明顯不同且更好的3D設(shè)計(jì)。"

△優(yōu)化的3D打印熱交換器的效果圖，圖片來自伊利諾伊大學(xué)

熱交換器優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性

熱交換器主要用來將熱能從A點(diǎn)轉(zhuǎn)移到B點(diǎn)。它們?cè)诤芏嘈袠I(yè)中都非常重要，幾乎所有產(chǎn)生熱量的復(fù)雜系統(tǒng)都要用到熱交換器。包括發(fā)電系統(tǒng)、運(yùn)輸、石油和天然氣加工、水淡化和消費(fèi)電子產(chǎn)品的熱管理。目前，全球范圍內(nèi)有數(shù)以百萬計(jì)的熱交換器在使用，它們的性能和效率對(duì)于降低碳排放非常重要。人們需要高表面積的熱交換器，以促進(jìn)有效的散熱，同時(shí)也要做到緊湊和輕巧。在像航空航天這樣的一些行業(yè)，部件的尺寸和質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)的性能、范圍和成本有直接影響。

在過去的幾十年里，熱交換器的設(shè)計(jì)并沒有什么變化。主要是受限于傳統(tǒng)制造技術(shù)，沒有能力制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，比如優(yōu)化熱流的內(nèi)部通道。然而，隨著金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展，以前被認(rèn)為不可能的3D熱交換器設(shè)計(jì)可以輕松地制造出來。所需要的只是一個(gè)專門的軟件工具來設(shè)計(jì)新的、更有效的設(shè)備。

優(yōu)化的管中管熱交換器

開發(fā)團(tuán)隊(duì)使用三維設(shè)計(jì)軟件，開發(fā)了一種特殊類型的熱交換器，叫作管中管交換器，經(jīng)常用于飲用水系統(tǒng)和建筑能源系統(tǒng)中。管中管交換器的特點(diǎn)是內(nèi)管嵌套在外管中。他們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)還在管子的內(nèi)部設(shè)置了一組集成翅片，這是3D打印技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)的內(nèi)部設(shè)計(jì)特征。設(shè)計(jì)確定下來之后，工程師們就用AlSi10Mg打印了熱交換器，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行了性能測(cè)試。3D打印的熱交換器的功率密度為26.6瓦/立方厘米，比功率為15.7千瓦/千克，比同類的商業(yè)熱交換器高20倍左右。機(jī)械科學(xué)與工程系副教授Nenad Miljkovic說："我們?cè)O(shè)計(jì)、制造并測(cè)試了一個(gè)優(yōu)化的管中管熱交換器，優(yōu)化后的熱交換器的體積功率密度比目前最先進(jìn)的商業(yè)管中管設(shè)備高約20倍"。

△熱交換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和周圍系統(tǒng)，圖片來自伊利諾伊大學(xué)

這項(xiàng)研究已經(jīng)發(fā)表在論文 "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共同撰寫的。