格拉斯哥大學(xué)的3D打印熱交換器,，比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)效率高50%

2022年4月17日,。南極熊獲悉，格拉斯哥大學(xué)研發(fā)人員表示,，他們開(kāi)發(fā)了一種新型輕型3D打印熱交換器,。該設(shè)計(jì)利用迷宮般的重復(fù)陀螺結(jié)構(gòu),，對(duì)比傳統(tǒng)的同類產(chǎn)品更緊湊,、更高效,。這項(xiàng)研究由格拉斯哥大學(xué)詹姆斯·瓦特工程學(xué)院的Shanmugam Kuma博士以及Swansea大學(xué)和Khalifa科技大學(xué)共同研發(fā)。

△用于傳熱和流體流動(dòng)仿真的COMSOL Multiphysics軟件模型(a)尺寸為4.6mm x 4.6mm x 4.6m且壁厚為300um (b)描述強(qiáng)加邊界的物理模型,。圖片來(lái)自格拉斯哥大學(xué)

熱交換器是在流體之間傳遞熱量而不使流體混合的裝置,，具有廣泛的應(yīng)用。在流體之間傳遞熱能的熱交換器被用于制冷系統(tǒng),、燃料電池以及汽車和飛機(jī)上使用的內(nèi)燃機(jī),。在追求輕量化工程的過(guò)程中，人們一直在尋找具有高性能的超輕質(zhì)材料,。具有可調(diào)機(jī)械性能的3D打印蜂窩材料,。

該熱交換器的高性能歸功于液體流過(guò)交換器的表面的設(shè)計(jì)。核心設(shè)計(jì)成了一個(gè)布滿了螺旋排列的小孔,。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將研究成果發(fā)表在《應(yīng)用熱工程》,，《通過(guò) 3D 打印實(shí)現(xiàn)的高性能、微架構(gòu),、緊湊型熱交換器》,，該研究得到了Abu Dhabi國(guó)家石油公司的資助。點(diǎn)我傳送門

△陀螺晶格緊湊型換熱器的設(shè)計(jì)和制造,，(a) 4.6mm x 4.6mm x 4.6mm的陀螺晶格CAD表面(b) 包含7x7x7螺旋晶格陣列的交換器核心厚為300微米,，孔隙率為80% (c)熱交換器的CAD截面圖清楚地描繪了螺旋體芯、覆蓋板和集管組件(d) 3D打印熱交換器(e)X射線微計(jì)算機(jī)斷層掃描圖像(f)沒(méi)有蓋板的3D打印熱交換器(g)小尺度缺陷,。圖片來(lái)自格拉斯哥大學(xué)

該團(tuán)隊(duì)宣稱,，螺晶格結(jié)構(gòu)是整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一部分，使用非自相交和高度對(duì)稱的三周期最小曲面（平均曲率為零）幾何結(jié)構(gòu),。研究小組選擇使用重復(fù)的陀螺結(jié)構(gòu)作為熱交換器,，因?yàn)闊峤粨Q的效率與它的表面積有關(guān)——表面積越大，流體將熱能從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體的機(jī)會(huì)就越多,。這意味著表面積大的物體比表面積小的物體冷卻或加熱流體的速度更快,。

他們的微型陀螺儀設(shè)計(jì)是由簡(jiǎn)單的光致聚合物和精密的3D打印機(jī)制造而成，將一個(gè)大的表面積設(shè)計(jì)成一個(gè)緊湊的立方體,，每邊32mm,，實(shí)際重量?jī)H為8克。

讓水通過(guò)類似于迷宮的設(shè)計(jì),，當(dāng)水以每分鐘100到270毫米的速度流過(guò)熱交換器時(shí),，溫度變化在10到20攝氏度之間。

該團(tuán)隊(duì)測(cè)量了他們的新型換熱器傳熱系數(shù)——衡量其在流體及其表面之間傳熱的有效性。因此他們測(cè)試對(duì)比了一系列由聚合物和金屬等材料制成的,，不同尺寸的傳統(tǒng)熱交換器,。盡管他們新開(kāi)發(fā)的原型機(jī)只有其體積的10%，但他們的新型熱交換器的效率比熱動(dòng)力等效的,、效率最高的逆流熱交換器高出50%,。

△(a)熱流體(b)冷流體(c)分隔壁(d)對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)測(cè)試的壓力模擬等值面。圖片來(lái)自格拉斯哥大學(xué)

Kumar 博士說(shuō)：“幾年來(lái),，我們一直在努力尋找這種3D打印陀螺晶格結(jié)構(gòu)的新應(yīng)用,。未來(lái)該技術(shù)可用于包括可回收高性能電池和未來(lái)“智能”醫(yī)療設(shè)備等(如假肢和背部支架)的開(kāi)發(fā)。

“能夠開(kāi)發(fā)更小,、更輕,、更高效的熱交換器可以幫助我們開(kāi)發(fā)需要更少功率的制冷系統(tǒng)，或者可以更有效冷卻的高性能發(fā)動(dòng)機(jī),。我們渴望在未來(lái)的研究中進(jìn)一步發(fā)展這項(xiàng)技術(shù),。”

通過(guò)我們的研究,，可以使用這些陀螺晶格結(jié)構(gòu)來(lái)創(chuàng)造一種具有非常大的表面積與體積比的結(jié)構(gòu),，這有利于熱交換。