使用增材制造改进热交换器模型

增材制造的进步突然使我们一直认为必须以某种方式完成的新零件设计成为可能。以热交换器为例，它是自工业革命以来一直存在的所有类型机器中的常见工业部件。

热交换器的基本功能是将热量从一个地方转移到另一个地方，通常是通过流体（气体或液体）流过一台机器。它们几乎用于所有工业应用、住宅和任何冷热问题：冰箱、熔炉、空调系统、运输、炼油厂、商业环境、医院等。到2020年，全球对换热器的需求预计将接近781.6亿美元。

使热交换器更高效的挑战长期以来一直困扰着工业工程师。典型的热交换器由金属制成，具有由直角、直线和堆叠组成的矩形结构。这些是使用传统技术最容易制造的形状类型，但它们并不是在小空间内最大化热交换的最佳形状。

事实证明，有一种方法可以使用增材制造使热交换器更高效、更轻、更便宜——并且比以往任何时候都更有效。 Fast Radius 的首席科学官 Bill King 最近在伊利诺伊大学领导了一个研究项目，他是该大学的机械工程教授，并领导对工程范式的创新研究。该项目以及 King 合着的后续论文展示了如何使用增材制造制造热交换器的零件，与传统的热交换器相比有了显着改进。

在本次问答中，King 解释了为什么增材制造改进了传统的热交换器模型，以及为什么这种创新对整个制造业来说如此令人兴奋。

传统换热器有哪些局限？

大多数人都熟悉汽车散热器的样子：一排带有大量薄金属翅片的管子。它是一个大的块状形状，基本上是一个矩形。大多数工程师都会承认，热交换器的新几何形状会提高性能，但直到现在才可能实现。

在大多数设计中，热交换器的部件具有相对简单的几何形状。流体通道通常是直的和光滑的。与曲折和轮廓的通道相比，这些笔直、光滑的通道通常具有较低的热传递。但遗憾的是，传统的制造技术无法制作出曲折的轮廓通道。

在其中一些矩形设计中，歧管可能会引导机器中的流体流动，使其流入高温或低温区域——热流的目标区域。通常，这些歧管被制成单独的、单独的组件。当组件单独制造然后组装时，组装和质量检查会产生额外的成本和人工。

制造的歧管装置的图片。 (a) 歧管装置的整体形状。歧管装置的前视图 (b) 没有静态混合器和 (c) 有混合器。 (d) 带有集成歧管装置的静态混合器的侧视图。

使用增材制造的热交换器有什么可能？

借助增材制造，您可以通过制造各种形状的热交换器来利用可用的“空白空间”，这些形状在能源效率、系统性能和使用更少量流体移动大量热量的能力方面具有优势。

在这项研究中，我们选择了一种常见的换热器架构——一个几何形状非常简单的水平加热板，水流过它来带走热量。这是热交换器最简单的配置之一。使用增材制造，我们用增材制造的聚合物制造了歧管，即控制流体流动的部件。我们使用各种技术和材料测试了我们的设计。一种特别成功的设计是使用碳数字光合成和氰酸酯制成的，因为这种材料非常耐热。由此产生的热交换器使用混合结构，使冷流体有效地从热板上带走热量。

使用碳数字光合成和氰酸酯制成的矩形扭曲胶带混合器

聚合物的导热性比金属低得多，因此您不会将聚合物用于需要携带热量的组件。但是通过增材制造，您可以将混合器直接制造到流道中，然后将它们组装到加热板上。我们分析了两种类型的混合结构：像传统静态混合器一样的扭曲带结构和一种新颖的人字形偏置翼结构。

制造设备的图像； (a) 没有静态混合器的矩形通道（普通通道）； (b) 矩形通道扭带混合器； (c) 带有人字形混合器的矩形通道。

你得出了什么结论？

我们能够成功地展示热交换器性能的显着改进，提高使用增材制造设计创建的产品和工具的能源效率。总体而言，我们看到在使用增材制造产生的混合结构存在的情况下，传热性能提高了约 2 倍。在您的目标是尽可能多地去除热量的系统中，这是一件大事。是两倍的热量。

在另一种工业情况下，您的目标可能是最大化热交换同时最小化设备的尺寸——例如，在设计高性能汽车时，车辆的尺寸和重量会影响性能——你可以缩小换热器下降以达到预期的效果。增材制造使这种定制非常灵活，可以满足特定应用的目标。

利用这些新的几何形状将使所有类型的机械和设备的制造取得重大进展。我们的研究将有助于将这些结果交到世界各地的工程师手中，他们可以利用新技术来增加热传递。太刺激了。

准备好使用 Fast Radius 制作零件了吗？