3D列印大型熱交換器，提升高達2倍的熱傳遞效能和高達3倍壓降

根據3D科學谷的市場研究，傳統的熱交換器包括大量的流體通道，每個流體通道都是使用板，條，箔，鰭，歧管等的某種組合形成的。這些部件中的每一個都必須單獨定位，定向並連線到支撐結構，例如，透過釺焊，焊接或其他連線方法。這種熱交換器的組裝相關的製造時間和成本非常高，並且由於形成的接頭數量，流體通道之間或從熱交換器洩漏的可能性通常增加。而這種製造極限也限制了熱交換流體通道及其中包括的熱交換特徵的數量、尺寸和構造。然而，3D列印為熱交換器的製造另闢蹊徑，減少了焊接需要，增加了熱交換表面積，優化了壓降。

本期，3D科學谷結合即將釋出的第三版本的《3D列印換熱器及散熱器白皮書V3》及《從管殼、板翅到點陣、螺旋，3D列印熱交換器的技術邏輯與展望》與谷友分享3D列印在熱交換器領域的現實案例與技術邏輯。

3D列印航空航天用熱交換器

Sintavia

顛覆進行時

根據3D科學谷，為了減少熱交換器的體積，設計上，齒狀翅片可以提供密集的熱傳遞，而且鋸齒狀翅片的幾何形狀也會帶來最佳化的壓降。

熱交換器

3D科學谷白皮書

設計可擴充套件的熱交換器芯的好處之一是，當3D印表機變大時，所能夠製造的熱交換器也會變大，3D科學谷所瞭解的一個案例中，與傳統設計和製造的版本相比，Sintavia 設計和3D列印的熱交換器可提供高達 2 倍的熱傳遞效能和高達 3 倍的壓降 – 製造良率提高了 4 倍以上。這些裝置在冷卻未來的發動機方面是不可或缺的，這將推動航空航天、國防和航天領域發動機冷卻效果的進步。

根據3D科學谷，換熱器與散熱器對裝置可以長效穩定執行起到了關鍵的作用，3D列印用於換熱器和散熱器的製造滿足了產品趨向緊湊型、高效性、模組化、多材料的發展趨勢。特別是用於異形、結構一體化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分複雜的形狀、點陣結構等加工，3D列印具有傳統制造技術不具備的優勢。

密不可分的DfAM設計與製造

緊湊型換熱器發展的限制因素主要是製造工藝，根據3D科學谷的瞭解，通道的大小、使用的材料、可靠性和成本會受到生產能力的限制。隨著3D列印-增材製造技術的發展，這些限制可以被克服。

3D列印-增材製造技術提供的主要好處是增加了設計自由度，這允許更有效的傳熱，同時減少所需零件的數量。這帶來更少的空間佔用和更少的材料，從而使裝置的重量更輕，且同時可以管理更高的熱負荷和功率密度。

Power Bed Fusion （PBF）的3D列印-增材製造技術允許生產具有複雜幾何形狀的單個金屬部件，這使其有利於熱交換器的生產。在這種3D列印過程中，金屬粉末一層一層地燒結或熔化在一起。根據3D科學谷的市場研究，目前PBF可3D列印的尺寸變得越來越大，精度和質量控制水平也在提高，這可以允許精確生產具有小水力直徑的通道。因此，3D 列印有望製造出最佳的通道幾何形狀並生產緊湊型鋁低溫熱交換器。

有多種方法可以利用增材製造優勢獲得更高效的熱交換器。到目前為止，最常見的是透過使用點陣/螺旋結構，針狀鰭片、鋸齒狀鰭片和微通道來增加可用於熱交換的表面。

根據3D科學谷的瞭解，除了點陣的應用，針狀鰭片的設計幾乎總是有益的：雖然圓形和橢圓形鰭片帶來的改進或許很小，但金剛石、翼型和矩形鰭片帶來的改進很明顯。

所有這些特徵允許更高的熱傳遞，不過如果不適當地設計，由於與流體流動相反的阻力增加，尤其是點陣晶格結構會損害系統的整體效率。

最佳翅片幾何形狀

為了開發熱交換器翅片的最佳幾何形狀，可以考慮兩種方法。首先，應該增加熱交換器幾何形狀的緊湊性，其次，應該提高傳熱表面的效率。

對於所需的 NTU 數，流體體積很大程度上取決於通道的水力直徑。為了提高換熱器的緊湊性，應減小設計翅片形成的水力直徑，翅片表面的設計考慮主要是如何提供高傳熱係數並獲得最小壓力損失。除了減少損失外，3D列印翅片還允許在較小的表面積內進行密集的熱傳遞，從而縮短熱交換器的長度。

研究發現“眼”鰭幾何形狀在層流區域中提供了出色的特性，並且相對於鋸齒狀鰭片的比率要低得多。因此，在層流範圍內，可以實現較高的傳熱率和較低的壓降。這可以在縱向熱傳導可接受的條件下用於緊湊型低溫換熱器。

3D列印最佳翅片幾何形狀：a。Rühlich 的“眼”鰭；b。低壓側翅片設計；C。為高壓側設計的翅片（尺寸以毫米為單位）。

《Experimental and numerical study of a 3D-printed aluminium cryogenic heat exchanger for compact Brayton refrigerators》

儘管蓄熱器翅片應該是對稱的以允許流體在兩個方向上流動，但對稱性對於回熱式熱交換器也是最佳的。因此，可以建立具有幾乎恆定橫截面的均勻通道，以實現規則分佈的流動並避免流動與壁分離。此外，可以為高壓翅片設計中間通道，以補償較高的流體密度和所需的較高傳熱面積。

3D列印換熱器相同中間有兩個低壓通道和一個高壓通道，如圖所示，除了設計的翅片外，預計直徑為1。4毫米的圓形翅片在每個通道的入口和出口，以實現更好的流量分配，流體集管採用平面法蘭連線設計。

當然有了針對3D列印特點的設計還遠遠不夠，在3D列印的過程可以觀察到3D列印和設計的翅片幾何形狀之間的差異，尤其是在高壓側。根據3D科學谷的市場研究，目前市場上的3D列印裝置（PBF裝置）會存在一些設計與列印不一致的情況，例如會發現厚度小於 0。2 毫米的邊緣沒有列印，這是列印解析度的限制。還可以看到由於3D列印誤差導致的翅片形狀略有不均勻。對於設計者與製造商來說，有必要考慮觀察到的3D列印能力，並在設計中相應地調整翅片幾何形狀。

另外一個設計的考慮點是倒圓角對水力直徑的影響，可以同時減小翅片周長和增加流動面積。因此，水力直徑對3D列印的精度具有非常高的敏感性，必須在製造過程中加以保證。

另一個影響效能的引數是表面粗糙度，透過提高粗糙表面方法可以獲得傳熱增強，不過在某些案例中雖然這種方式可以獲得高達70％的傳熱係數改進，但這種方法大大提高了摩擦係數，從而又導致了更高的壓降。這樣的效果對於具有較小水力直徑的微通道變得更加敏感。雖然高粗糙度會導致更高的壓降，但它對熱傳遞有積極影響。

總體來說，設計出輕量化、高效的熱交換器需要對增材製造設計（DfAM）建立基本瞭解，只有充分的瞭解設計的理念和製造的約束，才能確保零件的可製造性。抓住技術帶來的變革歷史機遇，更深入的分析，請關注3D科學谷即將釋出的第三版本的《3D列印換熱器及散熱器白皮書V3》。