熱交換器將是下一個(gè)產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域。此前,對 GE專(zhuān)利文章的市場(chǎng)研究,GE開(kāi)發(fā)了新型的熱交換器,這種熱交換器是通過(guò)3D打印-增材制造方式來(lái)制造的。該熱交換器包括多個(gè)增材制造方法,使流體通道尺寸較小,具有較薄的壁而形成的流體通路,以及具有錯綜復雜的形狀,這些熱交換器使用先前傳統的制造方法無(wú)法制造出來(lái)。
而近日,GE宣布與馬里蘭大學(xué)和橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室合作研發(fā)UPHEAT超高性能換熱器,在兩年半內完成開(kāi)發(fā)計劃,實(shí)現更高效的能量轉換和更低的排放。
仿生學(xué)結構的熱交換器
UPHEAT超高性能熱交換器的核心制造技術(shù)是3D打印技術(shù),GE希望新型換熱器將在超過(guò)900°C的溫度和高于250 bar的壓力下運行,超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)的熱效率提高4%,在提高動(dòng)力輸出的同時(shí)減少排放。這項計劃通過(guò)了美國能源局旗下的高級研究計劃部門(mén)( Advanced Research Projects Agency-Energy,簡(jiǎn)稱(chēng)ARPA-E)的高強度熱交換材料和制造工藝計劃(HITEMMP)支持,所計劃開(kāi)發(fā)的耐高溫,耐高壓和超緊湊型熱交換器可在現有和下一代發(fā)電廠(chǎng)平臺上實(shí)現更清潔,更高效的發(fā)電。
Heat exchanger_GE
這項技術(shù)的研究團隊由高溫金屬合金,熱管理和增材制造領(lǐng)域的世界級專(zhuān)家組成的跨學(xué)科團隊,通過(guò)與馬里蘭大學(xué)和橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室合作,開(kāi)發(fā)出的下一代熱能交換器,可以實(shí)現電力和航空領(lǐng)域的先進(jìn)應用,從而實(shí)現提高能源效率。
根據GE,這種新的熱交換器設計將打破效率障礙,GE正在利用其在金屬和熱管理方面的深厚知識,并以前所未有的方式應用它,通過(guò)3D打印的力量,GE現在可以實(shí)現以前傳統制造工藝無(wú)法制造的設計。通過(guò)3D打印-增材制造工藝,GE和馬里蘭大學(xué)現在將探索更復雜的仿生學(xué)形狀的設計,以實(shí)現熱交換器性能的逐步改變,從而實(shí)現更高的效率和更低的排放。
據了解,在發(fā)電設備中,熱交換器與人體肺部的功能相似。肺可以循環(huán)人體呼吸的空氣,使身體保持最佳性能,同時(shí)調節身體的溫度。像燃氣輪機這樣的發(fā)電設備中的熱交換器基本上執行相同的功能,當然這些熱交換器工作在極端的溫度和壓力條件下。
材料方面,這種新型換熱器將利用獨特的耐高溫,抗裂的鎳基超合金,這是GE研究團隊為增材制造工藝而設計的材料。橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室將利用其在腐蝕科學(xué)方面的專(zhuān)業(yè)知識來(lái)測試和驗證材料的長(cháng)期性能。
Part-heat exchanger_upheat_GE
開(kāi)發(fā)測試完成后,這種熱交換器將應用到超臨界二氧化碳(sCO2)布雷頓循環(huán),降低能耗和排放。此外,這種耐高溫的熱交換器還可以應用到先進(jìn)的航空航天領(lǐng)域。
Review
熱交換器將是下一個(gè)產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域。而究竟3D打印將在熱交換器的產(chǎn)業(yè)化方面達到怎樣的影響力和覆蓋面,這不僅僅取決于3D打印設備,材料的價(jià)格,還取決于工藝質(zhì)量是否能夠達到一致可控,以及標準與認證的完善,而最重要的是如何從設計端獲得以產(chǎn)品功能實(shí)現為導向的正向設計突破。
heat exchanger_whitepaper_27
圖片:3D打印熱交換器的優(yōu)勢
GE在3D打印熱交換器領(lǐng)域已經(jīng)擁有了一系列的專(zhuān)利技術(shù),其中面向產(chǎn)品功能實(shí)現的正向設計理念獲得了很好的驗證。傳統的熱交換器包括大量的流體通道,每個(gè)流體通道使用板、棒、箔、翅片、歧管等的一些組合形成。這些部件中的每一個(gè)必須單獨定位,定向并連接到支撐結構,例如,通過(guò)釬焊、焊接或其他連接方法。
例如,用于燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機的一個(gè)特定熱交換器包括250個(gè)部件,這些部件必須組裝成單個(gè)不透流體的部件。與這種熱交換器的組裝相關(guān)的制造時(shí)間和成本非常高并且流體通道之間或來(lái)自熱交換器的流體具有泄漏的可能性,這種可能性通常由于形成的接頭的數量而增加。另外,傳統制造工藝還限制了熱交換器中的熱交換特征的數量,尺寸和配置。
根據GE的專(zhuān)利,GE通過(guò)3D打印重新定義了熱交換器。例如,流體通道可以是曲線(xiàn)的,并且可以包括小于0.25mm厚的熱交換翅片,并且形成為每厘米多于十二個(gè)熱交換翅片的翅片密度。另外,熱交換翅片可以相對于流體通道的壁成角度,并且相鄰的翅片可以相對于彼此偏移。這種熱交換結構可以類(lèi)似地用于汽車(chē),航空,海事和其他工業(yè)中,以幫助流體之間的熱傳遞。
此外,電子產(chǎn)品的散熱方面,根據3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究,GE正在通過(guò)3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)一種新的熱管理系統,這套熱管理系統包括至少一個(gè)底盤(pán)框架,該底盤(pán)框架的構造成使的熱管理系統的熱擴散阻力最小化。底盤(pán)框架包括:至少一個(gè)底盤(pán)主體,至少一個(gè)熱循環(huán)系統嵌入底盤(pán)體內,底盤(pán)主體通過(guò)3D打印-增材制造技術(shù)形成。3D打印還被用來(lái)制造帶點(diǎn)陣結構的夾層結構,這些點(diǎn)陣結構提供了更大的表面積用于熱傳輸。
通過(guò)應用3D打印技術(shù),降低了熱傳導路徑的熱阻,同時(shí)保持或降低了系統的重量。GE所開(kāi)發(fā)的熱管理系統的技術(shù)特點(diǎn)包括重量輕、熱阻低、形狀不受限制,結構一體化等優(yōu)點(diǎn)。在商業(yè)方面的突出優(yōu)勢包括可實(shí)現定制化設計、更低的制造價(jià)格、更多的功能以及相同體積的更多熱元件??梢哉f(shuō),在以產(chǎn)品功能實(shí)現為主導的正向設計方面,熱交換器和散熱器方面,正在發(fā)生產(chǎn)品設計層面上的不斷的創(chuàng )新,這些創(chuàng )新將以商業(yè)化實(shí)現的方式提升人類(lèi)熱管理的效率和能力。
不少的公司在3D打印熱交換器和散熱器方面獲得了進(jìn)展。其中包括在航空航天領(lǐng)域的GE、雷神公司、諾思羅普·格魯曼公司、Unison Industries公司;在汽車(chē)領(lǐng)域的HiETA Technologies與雷尼紹合作開(kāi)發(fā)的換熱器,Conflux所開(kāi)發(fā)的新型高效熱交換器ConfluxCore以及菲亞特克萊斯勒(FCA汽車(chē)集團)開(kāi)發(fā)的鋁制散熱器;在IT電子領(lǐng)域微軟、IBM、Ebullient LLC等公司開(kāi)發(fā)的微處理器冷卻解決方案以及熱管理系統。
而近日,GE宣布與馬里蘭大學(xué)和橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室合作研發(fā)UPHEAT超高性能換熱器,在兩年半內完成開(kāi)發(fā)計劃,實(shí)現更高效的能量轉換和更低的排放。
仿生學(xué)結構的熱交換器
UPHEAT超高性能熱交換器的核心制造技術(shù)是3D打印技術(shù),GE希望新型換熱器將在超過(guò)900°C的溫度和高于250 bar的壓力下運行,超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)的熱效率提高4%,在提高動(dòng)力輸出的同時(shí)減少排放。這項計劃通過(guò)了美國能源局旗下的高級研究計劃部門(mén)( Advanced Research Projects Agency-Energy,簡(jiǎn)稱(chēng)ARPA-E)的高強度熱交換材料和制造工藝計劃(HITEMMP)支持,所計劃開(kāi)發(fā)的耐高溫,耐高壓和超緊湊型熱交換器可在現有和下一代發(fā)電廠(chǎng)平臺上實(shí)現更清潔,更高效的發(fā)電。
Heat exchanger_GE
這項技術(shù)的研究團隊由高溫金屬合金,熱管理和增材制造領(lǐng)域的世界級專(zhuān)家組成的跨學(xué)科團隊,通過(guò)與馬里蘭大學(xué)和橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室合作,開(kāi)發(fā)出的下一代熱能交換器,可以實(shí)現電力和航空領(lǐng)域的先進(jìn)應用,從而實(shí)現提高能源效率。
根據GE,這種新的熱交換器設計將打破效率障礙,GE正在利用其在金屬和熱管理方面的深厚知識,并以前所未有的方式應用它,通過(guò)3D打印的力量,GE現在可以實(shí)現以前傳統制造工藝無(wú)法制造的設計。通過(guò)3D打印-增材制造工藝,GE和馬里蘭大學(xué)現在將探索更復雜的仿生學(xué)形狀的設計,以實(shí)現熱交換器性能的逐步改變,從而實(shí)現更高的效率和更低的排放。
據了解,在發(fā)電設備中,熱交換器與人體肺部的功能相似。肺可以循環(huán)人體呼吸的空氣,使身體保持最佳性能,同時(shí)調節身體的溫度。像燃氣輪機這樣的發(fā)電設備中的熱交換器基本上執行相同的功能,當然這些熱交換器工作在極端的溫度和壓力條件下。
材料方面,這種新型換熱器將利用獨特的耐高溫,抗裂的鎳基超合金,這是GE研究團隊為增材制造工藝而設計的材料。橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室將利用其在腐蝕科學(xué)方面的專(zhuān)業(yè)知識來(lái)測試和驗證材料的長(cháng)期性能。
Part-heat exchanger_upheat_GE
開(kāi)發(fā)測試完成后,這種熱交換器將應用到超臨界二氧化碳(sCO2)布雷頓循環(huán),降低能耗和排放。此外,這種耐高溫的熱交換器還可以應用到先進(jìn)的航空航天領(lǐng)域。
Review
熱交換器將是下一個(gè)產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域。而究竟3D打印將在熱交換器的產(chǎn)業(yè)化方面達到怎樣的影響力和覆蓋面,這不僅僅取決于3D打印設備,材料的價(jià)格,還取決于工藝質(zhì)量是否能夠達到一致可控,以及標準與認證的完善,而最重要的是如何從設計端獲得以產(chǎn)品功能實(shí)現為導向的正向設計突破。
heat exchanger_whitepaper_27
圖片:3D打印熱交換器的優(yōu)勢
GE在3D打印熱交換器領(lǐng)域已經(jīng)擁有了一系列的專(zhuān)利技術(shù),其中面向產(chǎn)品功能實(shí)現的正向設計理念獲得了很好的驗證。傳統的熱交換器包括大量的流體通道,每個(gè)流體通道使用板、棒、箔、翅片、歧管等的一些組合形成。這些部件中的每一個(gè)必須單獨定位,定向并連接到支撐結構,例如,通過(guò)釬焊、焊接或其他連接方法。
例如,用于燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機的一個(gè)特定熱交換器包括250個(gè)部件,這些部件必須組裝成單個(gè)不透流體的部件。與這種熱交換器的組裝相關(guān)的制造時(shí)間和成本非常高并且流體通道之間或來(lái)自熱交換器的流體具有泄漏的可能性,這種可能性通常由于形成的接頭的數量而增加。另外,傳統制造工藝還限制了熱交換器中的熱交換特征的數量,尺寸和配置。
根據GE的專(zhuān)利,GE通過(guò)3D打印重新定義了熱交換器。例如,流體通道可以是曲線(xiàn)的,并且可以包括小于0.25mm厚的熱交換翅片,并且形成為每厘米多于十二個(gè)熱交換翅片的翅片密度。另外,熱交換翅片可以相對于流體通道的壁成角度,并且相鄰的翅片可以相對于彼此偏移。這種熱交換結構可以類(lèi)似地用于汽車(chē),航空,海事和其他工業(yè)中,以幫助流體之間的熱傳遞。
此外,電子產(chǎn)品的散熱方面,根據3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究,GE正在通過(guò)3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)一種新的熱管理系統,這套熱管理系統包括至少一個(gè)底盤(pán)框架,該底盤(pán)框架的構造成使的熱管理系統的熱擴散阻力最小化。底盤(pán)框架包括:至少一個(gè)底盤(pán)主體,至少一個(gè)熱循環(huán)系統嵌入底盤(pán)體內,底盤(pán)主體通過(guò)3D打印-增材制造技術(shù)形成。3D打印還被用來(lái)制造帶點(diǎn)陣結構的夾層結構,這些點(diǎn)陣結構提供了更大的表面積用于熱傳輸。
通過(guò)應用3D打印技術(shù),降低了熱傳導路徑的熱阻,同時(shí)保持或降低了系統的重量。GE所開(kāi)發(fā)的熱管理系統的技術(shù)特點(diǎn)包括重量輕、熱阻低、形狀不受限制,結構一體化等優(yōu)點(diǎn)。在商業(yè)方面的突出優(yōu)勢包括可實(shí)現定制化設計、更低的制造價(jià)格、更多的功能以及相同體積的更多熱元件??梢哉f(shuō),在以產(chǎn)品功能實(shí)現為主導的正向設計方面,熱交換器和散熱器方面,正在發(fā)生產(chǎn)品設計層面上的不斷的創(chuàng )新,這些創(chuàng )新將以商業(yè)化實(shí)現的方式提升人類(lèi)熱管理的效率和能力。
不少的公司在3D打印熱交換器和散熱器方面獲得了進(jìn)展。其中包括在航空航天領(lǐng)域的GE、雷神公司、諾思羅普·格魯曼公司、Unison Industries公司;在汽車(chē)領(lǐng)域的HiETA Technologies與雷尼紹合作開(kāi)發(fā)的換熱器,Conflux所開(kāi)發(fā)的新型高效熱交換器ConfluxCore以及菲亞特克萊斯勒(FCA汽車(chē)集團)開(kāi)發(fā)的鋁制散熱器;在IT電子領(lǐng)域微軟、IBM、Ebullient LLC等公司開(kāi)發(fā)的微處理器冷卻解決方案以及熱管理系統。
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