案例 l 尺寸減半！用於緊湊型布雷頓製冷迴圈的3D列印鋁低溫換熱器

根據3D科學谷的市場研究，一些低溫應用，例如風力發電廠的超導發電機，需要緊湊型製冷迴圈。熱交換器是低溫製冷迴圈冷箱中體積最大的部件。因此，減小它們的尺寸將有利於緊湊系統的開發。熱交換器的體積和效能很大程度上取決於通道的水力直徑和傳熱表面的效率。

根據3D科學谷的市場觀察，為了提高效能，業界已開發出具有最佳化翅片幾何形狀的鋁製 3D 列印熱交換器概念。已經實現了高壓側和低壓側液壓直徑分別為 1。48 毫米和 1。07 毫米的翅片設計。本期，3D科學谷與谷友分享的案例是EASITrain – 歐洲先進的超導創新和培訓所支援的用於緊湊型Brayton-布雷頓製冷迴圈的3D列印鋁低溫換熱器研究。

熱交換器

3D科學谷白皮書

更好的熱交換、更緊湊的形狀

布雷頓冷迴圈

根據3D科學谷，在發電裝置中，熱交換器與人體肺部的功能相似。肺可以迴圈人體呼吸的空氣，使身體保持最佳效能，同時調節身體的溫度。像燃氣輪機這樣的發電裝置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。

對高溫超導體 （HTS） 日益增長的興趣促使開發適合其冷卻的高效低溫系統，儘管再生式低溫冷卻器的效能不斷提高，但其升級能力有限。因此，為了提供更大的冷卻能力，必須應用多個低溫冷卻器，布雷頓製冷迴圈的優勢在這方面變得更加明顯。

然而，由於超導發電機和電動機的外殼空間有限，旋轉機械中的高溫超導應用通常需要緊湊的冷卻系統。因此，為了提高布雷頓製冷迴圈與低溫冷卻器的競爭力，應減小冷箱尺寸。低溫製冷迴圈冷箱的容積主要由換熱器決定。因此，本案例透過3D列印小型高效低溫換熱器，用於中等功率範圍的緊湊型布雷頓製冷迴圈。

此前，GE採用了一種類似於葡萄的獨特設計，這種結構能夠承受更高的溫度和壓力。團隊在水果的結構中觀察到一組薄壁單位細胞的組成，這一結構透過3D打印製造出來，應用到超臨界二氧化碳（sCO2）布雷頓迴圈，降低能耗和排放。

除了葡萄形狀的薄壁結構，本期案例分享的是“眼睛”鰭片幾何形狀的熱交換器在布雷頓迴圈的作用，該3D列印低溫熱交換器的專利正在由 H。 Quack 教授申請。

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高效緊湊型低溫換熱器的概念

為了減少火用損失，低溫熱交換器需要在很小的溫差下提供強烈的熱傳遞。為此，需要大而有效的傳熱表面。另一方面，熱交換器、冷箱和安裝的成本以及冷箱的尺寸與熱交換器的體積成正比。因此，低溫換熱器本質上需要高效且緊湊。傳統制造方式下最標準的低溫換熱器是盤繞式和鋁釺焊板翅式換熱器 （PFHX），通道的水力直徑可小至 1。6 毫米，PFHX 可以有不同型別的翅片，例如普通、穿孔、人字形或鋸齒形。鋸齒狀翅片提供最密集的熱傳遞，因此在本案例中用作參考，不過，值得注意的是鋸齒狀翅片的幾何形狀也會導致最高的壓降。

為了進一步增加緊湊性，根據3D科學谷的瞭解，市場上已經開發了其他型別的熱交換器。例如，矩陣式熱交換器曾經是氦液化器的替代品，然而，儘管它們具有高緻密性和低縱向傳導率，但由於密封層生產的可靠性差，它們並不常用於工業低溫應用。

另一種新型緊湊型熱交換器是印刷電路熱交換器。它們是透過對金屬板中的微通道進行化學蝕刻和板的進一步擴散結合來生產的，透過這種方法，可以實現低至 0。5 毫米的水力直徑。不過這極大地增加了成本並且使得它們對於低溫製冷迴圈的使用不合理。

一些特定的微通道換熱器已被開發用於需要小型冷卻器的空間應用。例如，微型管殼式換熱器已被設計用於Turbo-Brayton 低溫冷卻器，該熱交換器的微管直徑約為 0。6 毫米。然而，這是手工製造的，因此價格昂貴。

因此，緊湊型換熱器發展的限制因素主要是製造工藝。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。

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。

3D列印熱交換器

3D科學谷白皮書

案例中發現“眼睛”鰭片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允許低得多的比率。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。基於這項研究，案例研究為回熱式熱交換器開發了類似的幾何形狀。

最佳翅片幾何形狀：“眼”鰭翅片設計

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所選擇的翅片幾何形狀基於代表流動通道的菱形，低壓側和高壓側的折減係數分別為 0。75 和 0。82。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，為高壓翅片設計了一箇中間通道，以補償較高的流體密度和所需的較高傳熱面積。因此，對於所提供的 6 mm 通道高度，低壓翅片和高壓翅片的相應設計水力直徑分別為 1。48 mm 和 1。07 mm，低於 1。6 mm鋸齒狀鰭。

3D列印換熱器樣品

為了研究金屬列印能力並透過實驗證明預期的翅片特性，兩個原型熱交換器具有設計的翅片幾何形狀由 AlSi10Mg 鋁合金使用選區鐳射熔融金屬3D列印方法制造。

3D列印的換熱器樣品

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換熱器中間有兩個低壓通道和一個高壓通道，除了設計的翅片外，還設計了直徑為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。此外，在每個翅片的頂部略微加厚了翅片，以支援頂壁3D列印。

不過實際3D打印出來的換熱器與設計存在差異，透過切割3D打印出來的樣品，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。設計和列印的幾何圖形顯示在基本菱形上，可以發現厚度小於 0。2 毫米的邊緣沒有列印，這表明了當前3D列印解析度的限制。因此，透過顯微鏡測量，翅片具有半徑接近 0。23 毫米的邊緣圓角。

3D列印的換熱器樣品剖面

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此外，可以看到由於3D列印誤差導致的翅片形狀略有不均勻，這說明有必要考慮觀察到的3D列印能力，並在未來設計中相應地調整翅片幾何形狀。因此，本案例中3D列印的翅片比設計的要小，水力直徑更大，最重要的是它適用於高壓翅片。

另一個影響效能的引數是表面粗糙度，對於水平表面尤其高，會影響沿牆體的邊界層構建。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。

透過對3D列印的換熱器的壓降和傳熱實驗，以及透過ANSYS進行模擬和數值研究表明，與傳統的板翅式換熱器相比，3D列印的換熱器具有更高的傳熱強度和更低的壓降。與 PFHX設計相比，3D列印的熱交換器的長度可以減少一半，Brayton-布雷頓低溫製冷迴圈上得到了證明。

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