打破效率障礙,GE利用3D打印超高性能換熱器

    2022-11-09 07:33:01 編輯:巨象三維3D打印 來源:3D打印公司
    熱交換器將是下一個產業化領域。此前,對 GE專利文章的市場研究,GE開發了新型的熱交換器,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UPHEAT超高性能換熱器,在兩年半內完成開發計劃,實現更高效的能量轉換和更低的排放。

    仿生學結構的熱交換器
    UPHEAT超高性能熱交換器的核心制造技術是3D打印技術,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電廠平臺上實現更清潔,更高效的發電。



    Heat exchanger_GE



    這項技術的研究團隊由高溫金屬合金,熱管理和增材制造領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,開發出的下一代熱能交換器,可以實現電力和航空領域的先進應用,從而實現提高能源效率。

    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3D打印的力量,GE現在可以實現以前傳統制造工藝無法制造的設計。通過3D打印-增材制造工藝,GE和馬里蘭大學現在將探索更復雜的仿生學形狀的設計,以實現熱交換器性能的逐步改變,從而實現更高的效率和更低的排放。

    據了解,在發電設備中,熱交換器與人體肺部的功能相似。肺可以循環人體呼吸的空氣,使身體保持最佳性能,同時調節身體的溫度。像燃氣輪機這樣的發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。橡樹嶺國家實驗室將利用其在腐蝕科學方面的專業知識來測試和驗證材料的長期性能。

    Part-heat exchanger_upheat_GE

    開發測試完成后,這種熱交換器將應用到超臨界二氧化碳(sCO2)布雷頓循環,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的航空航天領域。

    Review

    熱交換器將是下一個產業化領域。而究竟3D打印將在熱交換器的產業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,材料的價格,還取決于工藝質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品功能實現為導向的正向設計突破。

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    圖片:3D打印熱交換器的優勢

    GE在3D打印熱交換器領域已經擁有了一系列的專利技術,其中面向產品功能實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構,例如,通過釬焊、焊接或其他連接方法。

    例如,用于燃氣渦輪發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。這種熱交換結構可以類似地用于汽車,航空,海事和其他工業中,以幫助流體之間的熱傳遞。

    此外,電子產品的散熱方面,根據3D科學谷的市場研究,GE正在通過3D打印技術開發一種新的熱管理系統,這套熱管理系統包括至少一個底盤框架,該底盤框架的構造成使的熱管理系統的熱擴散阻力最小化。底盤框架包括:至少一個底盤主體,至少一個熱循環系統嵌入底盤體內,底盤主體通過3D打印-增材制造技術形成。3D打印還被用來制造帶點陣結構的夾層結構,這些點陣結構提供了更大的表面積用于熱傳輸。

    通過應用3D打印技術,降低了熱傳導路徑的熱阻,同時保持或降低了系統的重量。GE所開發的熱管理系統的技術特點包括重量輕、熱阻低、形狀不受限制,結構一體化等優點。在商業方面的突出優勢包括可實現定制化設計、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,在以產品功能實現為主導的正向設計方面,熱交換器和散熱器方面,正在發生產品設計層面上的不斷的創新,這些創新將以商業化實現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域的GE、雷神公司、諾思羅普·格魯曼公司、Unison Industries公司;在汽車領域的HiETA Technologies與雷尼紹合作開發的換熱器,Conflux所開發的新型高效熱交換器ConfluxCore以及菲亞特克萊斯勒(FCA汽車集團)開發的鋁制散熱器;在IT電子領域微軟、IBM、Ebullient LLC等公司開發的微處理器冷卻解決方案以及熱管理系統。
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