打破效率障礙，GE利用3D打印超高性能換熱器
魔猴君 行業(yè)資訊 2008天前
熱交換器將是下一個產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域。此前，對GE專利文章的市場研究，GE開發(fā)了新型的熱交換器，這種熱交換器是通過3D打印-增材制造方式來制造的。該熱交換器包括多個增材制造方法，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(tǒng)的制造方法無法制造出來。
而近日，GE宣布與馬里蘭大學和橡樹嶺國家實驗室合作研發(fā)UPHEAT超高性能換熱器，在兩年半內(nèi)完成開發(fā)計劃，實現(xiàn)更高效的能量轉(zhuǎn)換和更低的排放。
圖片：發(fā)電廠
仿生學結(jié)構(gòu)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900°C的溫度和高于250 bar的壓力下運行，超臨界CO2動力循環(huán)的熱效率提高4％，在提高動力輸出的同時減少排放。這項計劃通過了美國能源局旗下的高級研究計劃部門（Advanced Research Projects Agency-Energy，簡稱ARPA-E）的高強度熱交換材料和制造工藝計劃（HITEMMP）支持，所計劃開發(fā)的耐高溫，耐高壓和超緊湊型熱交換器可在現(xiàn)有和下一代發(fā)電廠平臺上實現(xiàn)更清潔，更高效的發(fā)電。
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)域的世界級專家組成的跨學科團隊，通過與馬里蘭大學和橡樹嶺國家實驗室合作，開發(fā)出的下一代熱能交換器，可以實現(xiàn)電力和航空領(lǐng)域的先進應(yīng)用，從而實現(xiàn)提高能源效率。
根據(jù)GE，這種新的熱交換器設(shè)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(yīng)用它，通過3D打印的力量，GE現(xiàn)在可以實現(xiàn)以前傳統(tǒng)制造工藝無法制造的設(shè)計。通過3D打印-增材制造工藝，GE和馬里蘭大學現(xiàn)在將探索更復雜的仿生學形狀的設(shè)計，以實現(xiàn)熱交換器性能的逐步改變，從而實現(xiàn)更高的效率和更低的排放。
據(jù)魔猴網(wǎng)了解，在發(fā)電設(shè)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，同時調(diào)節(jié)身體的溫度。像燃氣輪機這樣的發(fā)電設(shè)備中的熱交換器基本上執(zhí)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(shè)計的材料。橡樹嶺國家實驗室將利用其在腐蝕科學方面的專業(yè)知識來測試和驗證材料的長期性能。
開發(fā)測試完成后，這種熱交換器將應(yīng)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(yīng)用到先進的航空航天領(lǐng)域。
Review
熱交換器將是下一個產(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(shè)備，材料的價格，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(shè)計端獲得以產(chǎn)品功能實現(xiàn)為導向的正向設(shè)計突破。
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)擁有了一系列的專利技術(shù)，其中面向產(chǎn)品功能實現(xiàn)的正向設(shè)計理念獲得了很好的驗證。傳統(tǒng)的熱交換器包括大量的流體通道，每個流體通道使用板、棒、箔、翅片、歧管等的一些組合形成。這些部件中的每一個必須單獨定位，定向并連接到支撐結(jié)構(gòu)，例如，通過釬焊、焊接或其他連接方法。
例如，用于燃氣渦輪發(fā)動機的一個特定熱交換器包括250個部件，這些部件必須組裝成單個不透流體的部件。與這種熱交換器的組裝相關(guān)的制造時間和成本非常高并且流體通道之間或來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(shù)量而增加。另外，傳統(tǒng)制造工藝還限制了熱交換器中的熱交換特征的數(shù)量，尺寸和配置。
根據(jù)GE的專利，GE通過3D打印重新定義了熱交換器。例如，流體通道可以是曲線的，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(jié)構(gòu)可以類似地用于汽車，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(jù)魔猴網(wǎng)的市場研究，GE正在通過3D打印技術(shù)開發(fā)一種新的熱管理系統(tǒng)，這套熱管理系統(tǒng)包括至少一個底盤框架，該底盤框架的構(gòu)造成使的熱管理系統(tǒng)的熱擴散阻力最小化。底盤框架包括：至少一個底盤主體，至少一個熱循環(huán)系統(tǒng)嵌入底盤體內(nèi)，底盤主體通過3D打印-增材制造技術(shù)形成。3D打印還被用來制造帶點陣結(jié)構(gòu)的夾層結(jié)構(gòu)，這些點陣結(jié)構(gòu)提供了更大的表面積用于熱傳輸。
通過應(yīng)用3D打印技術(shù)，降低了熱傳導路徑的熱阻，同時保持或降低了系統(tǒng)的重量。GE所開發(fā)的熱管理系統(tǒng)的技術(shù)特點包括重量輕、熱阻低、形狀不受限制，結(jié)構(gòu)一體化等優(yōu)點。在商業(yè)方面的突出優(yōu)勢包括可實現(xiàn)定制化設(shè)計、更低的制造價格、更多的功能以及相同體積的更多熱元件?？梢哉f，在以產(chǎn)品功能實現(xiàn)為主導的正向設(shè)計方面，熱交換器和散熱器方面，正在發(fā)生產(chǎn)品設(shè)計層面上的不斷的創(chuàng)新，這些創(chuàng)新將以商業(yè)化實現(xiàn)的方式提升人類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；在汽車領(lǐng)域的HiETA Technologies與雷尼紹合作開發(fā)的換熱器，Conflux所開發(fā)的新型高效熱交換器ConfluxCore以及菲亞特克萊斯勒(FCA汽車集團）開發(fā)的鋁制散熱器；在IT電子領(lǐng)域微軟、IBM、Ebullient LLC等公司開發(fā)的微處理器冷卻解決方案以及熱管理系統(tǒng)。
來源：3D科學谷
