|
2025年4月11日，南极熊获悉，来自伊利诺伊大学香槟分校的研究人员利用3D打印技术开发了一种紧凑型水冷式制冷剂冷凝器，测试性能显著优于传统的热交换器设计。3D打印热交换器采用微型 3D 表面，可实现高传热性能，这是传统制造技术无法实现的。
相关研究以题为“Additively manufactured compactwater-cooled refrigerant condenser”的论文发表在《国际传热传质杂志》上，由OmarM. Zaki, William P. King等人联合撰写。
3D打印可实现先进的内部几何形状
这款冷凝器采用激光粉末床熔融技术，以AlSi10Mg合金制成，从而能够创建减材制造法无法实现的复杂内部几何形状。这些几何形状包括制冷剂侧的人字形流动扰流器和水侧的十字形波浪形翅片，旨在增强湍流并提高局部传热系数。与依赖堆叠板或翅片管的传统热交换器不同，这种3D打印架构能够精确调整内部结构，从而管理多个流体路径上的流量、压降和热阻。
△热交换器设计的 CAD 剖面图，插图为制冷剂侧通道中的人字形结构（上图）和水侧通道中 3D 波浪形翅片（下图）。图片来自 William P. King。
多通道横流结构，性能紧凑
3D打印冷凝器采用多通道、多通道横流结构，旨在优化紧凑空间内水与制冷剂之间的热交换。在横流结构中，冷却水和制冷剂两种流体相互垂直流动，增强了热交换器内表面的热接触。
△3D打印横流制冷剂冷凝器的设计。图片来自 William P. King
每个流体域内设有多条平行流道，可增加表面积并改善流量分布。水和制冷剂均分多个连续阶段流经冷凝器。在设计结构中，制冷剂流经四条通道，每条通道的通道逐渐变窄，以补偿冷凝过程中不断增加的密度。同时，水以相反方向流经自身的四通道回路。
新的换热器结构能够精细控制流体速度、压降和温度梯度，确保两种工作流体之间高效的能量传递。尽管内部结构复杂，但换热器装置仍保持着紧凑的外形尺寸，仅为 260 × 235 × 39 毫米。
模拟引导优化和机器学习集成
为了优化水侧性能，研究团队将二维有限元仿真与基于36,000个参数化翅片形状训练的机器学习模型相结合。仿真模型预测翅片效率和面积增强因子，并作为基于物理的分段式热模型的输入。通过参数扫描筛选候选设计方案，并使用CFD仿真进行细化，以验证局部温度、速度和压力分布。
△冷凝器的分割过程。图片来自 William P. King
定制蒸汽压缩回路中的实验验证
换热器设计原型在定制的蒸汽压缩回路中进行了实验测试。冷凝器在制冷剂饱和温度为35°C至49°C的范围内，传热速率在3 kW至8kW之间。水侧流量测试结果为每分钟5至40升。基于物理的模型和CFD结果与实验数据的匹配精度在5%以内，验证了仿真框架的可靠性。
与低GWP制冷剂的兼容性
虽然最初测试的是 R134a，但研究也评估了 R1234yf、R32、丙烷和异丁烷等其他制冷剂的性能。这些制冷剂的全球变暖潜能值 (GWP) 低于 R134a，并且评估时采用了相同的几何形状和相当的体积流量。模拟结果表明，在更高的流量下，R32 的传热速率可达 R134a 的两倍，而丙烷和 R1234yf 的性能则相似或略有提升。
添加热元件的展望
本文的研究提供了一种经过验证的、基于增材制造 (AM) 的紧凑型高效两相热交换器设计方法，能够在管段层面微调热阻、流路和几何形状，并结合经过验证的 CFD 和实验结果，在暖通空调 (HVAC)、汽车、数据中心和航空航天系统等实际应用中具有可行性。
冷凝器设计是利用3D打印重塑热交换器性能的研究和商业开发成果的又一力作。劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）最近开展的一项研究，探索了利用金属3D打印制造用于电子和航空航天领域的微型热交换器，相关研究刊登在《麻省理工学院技术评论》上。这些设备采用折叠几何形状以最大限度地增加表面积，但在早期测试中性能提升仍然不大。
与此同时，像Conflux Technology这样的公司也纷纷涌现。2024 年 10 月，Conflux 在 B 轮融资中筹集了 1100 万欧元，用于扩大采用激光粉末床熔融技术的 3D 打印热交换器的生产。Conflux 公司还与奥格斯堡火箭工厂合作，将3D 打印热交换器集成到轨道火箭中，展示了增材制造技术在生产能够承受极端条件的部件方面的适用性。该公司还推出了一款高性能筒式热交换器，专为汽车和工业环境中的流体控制系统而设计，特点是结构紧凑、内部几何形状优化。
其他努力包括通用电气研究院 (GE Research)开发了一种葡萄形3D打印热交换器，工作温度可达900°C，比现有解决方案的温度极限高出200°C以上。这些进展证明了增材制造在热管理系统中的灵活性和针对特定应用的设计优势。
| 
京公网安备11010802043351