熱交換
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熱交換的視頻教程
II-04雙流體熱交換器：汽車散熱器《STAR CCM+官方案例視頻教程》
STAR CCM+官方案例視頻教程系列之II熱傳遞和輻射_04雙流體熱交換器：汽車散熱器 涉及主要知識點： 1）雙流體熱交換器； 2）切割體網格定位。
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Altair Simlab教程：熱交換器組件的建模
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熱交換的實例教程
幾十年來，熱交換器一直用于將熱能從一種流體傳遞到另一種流體。流體既可以是液體，也可以是氣體，或者一種可以是液體，另一種可以是氣體，例如空氣。熱交換器廣泛用于各種行業和應用 - 從汽車散熱器到航空航天應用，如發動機油冷卻和噴氣燃料預熱，再到發電和計算的各種應用。而3D打印技術正以其獨特的工藝特點在改變熱交換器和散熱器的設計與制造方式。
替代釬焊，更隨形的管道制造
在約束流熱交換器中，根據兩種流體的流動布置，有三種主要的熱交換器分類。在橫流式熱交換器中，熱流體和冷流體通過熱交換器大致彼此垂直地行進。在平行流熱交換器中，兩種流體在同一端進入熱交換器，并且彼此平行地行進到另一端。在逆流熱交換器中，兩種流體從相對的兩端進入熱交換器。
提高熱交換器效率的一種方法是增加流體流過的通道的數量，并減小通道的尺寸。對于給定的熱交換器長度，小通道尺寸使得能夠將熱能從熱流體更完全地傳遞到冷流體。所以說熱交換器的設計本質上是以行和列排列的立方體通道矩陣，其中行和列的數量為數百，在這種復雜的熱交換器結構中，盡管逆流裝置的效率優點是可取的，但直到現在制造這種設計充滿挑戰的。
根據3D科學谷的市場研究，諾思羅普·格魯曼公司(Northrop Gramman Systems)在開發一種創新設計的熱交換器，特點是外部管道的極大簡化，但是這種創新設計的熱交換器通過傳統制造技術難以構建。特別是連接部位的釬焊或焊接是困難的，尤其是考慮到所涉及的材料非常薄，尺寸非常小，并且接縫都必須防漏。然而，通過增材制造技術（也稱為3D打印）很容易構建這些結構。增材制造不僅可以替代釬焊或焊接過程，還可以通過增材制造來構造熱交換器通道矩陣，在需要大量集管的情況下，通過增材制造來構造整個熱交換器組件 - 包括所有集管成為有效的制造方式。
展開 生活中使用的許多電器或機械設備都依靠傳熱裝置來保持能量和熱量的平衡，以確保設備運行順暢，例如空調、冰箱和汽車發動機等，這些傳熱裝置就是熱交換器。通常，熱交換器在兩種流體之間傳遞熱量：液 – 液，液 – 氣或氣 – 氣。
盡管熱交換器的應用非常普遍，但是受限于制造技術，熱交換器的設計迭代也受到了限制。傳統的熱交換產品通常由焊接在一起的薄片材料制成，在這種制造方式下，如果設計的復雜性上升就將使得生產充滿挑戰性，并且非常耗時，而且用于焊接工藝的材料也增加了部件的整體重量。傳統制造工藝在制造緊湊而復雜的熱交換器產品方面的能力是有限的。
然而，增材制造/3D打印技術為熱交換器產品重塑帶來了新的可能性。本期，分享一家從事3D打印熱交換器開發的企業-Conflux，通過他們所開展的一些工作以及使用的一些方法，一起了解粉末床熔融金屬3D打印技術在重塑汽車熱交換器中的價值與潛力。
熱交換性能的提升
Conflux Technology 是一家從事熱和流體工程的企業，Conflux 正在使用粉末床熔融金屬3D打印技術制造創新型汽車熱交換器。他們開發了一種新型高效熱交換器ConfluxCore。Conflux 通過EOS 的金屬粉末熔融設備制造了 ConfluxCore 原型，打印材料為鋁AlSi10Mg。
在設計ConfluxCore時，設計師利用3D打印技術為設計帶來的自由度，最終開發出輕量化的熱交換器。據了解，Conflux在熱交換器開發中使用了一系列工具，包括計算流體力學（CFD），非線性熱機械有限元建模（FEA）和EOS的增材制造軟件工具套件。
展開 2021年9月22日，南極熊獲悉，伊利諾伊大學利用3D打印技術生產了下一代超小型熱交換器，實現了高達2000%的性能提升。
為了設計出創新的幾何形狀，工程師們開發了具有拓撲優化功能的三維熱交換器設計軟件。這款軟件專門用于優化現有的熱交換器設計，以最大限度地提高傳熱，同時最大限度地減少零件重量，這可能對能源、電子和航空航天等行業產生重大影響。
機械科學與工程教授William King說："我們開發了形狀優化軟件來設計高性能的熱交換器，軟件使我們能夠識別出與傳統設計明顯不同且更好的3D設計。"
△優化的3D打印熱交換器的效果圖，圖片來自伊利諾伊大學
熱交換器優化設計的必要性
熱交換器主要用來將熱能從A點轉移到B點。它們在很多行業中都非常重要，幾乎所有產生熱量的復雜系統都要用到熱交換器。包括發電系統、運輸、石油和天然氣加工、水淡化和消費電子產品的熱管理。
目前，全球范圍內有數以百萬計的熱交換器在使用，它們的性能和效率對于降低碳排放非常重要。人們需要高表面積的熱交換器，以促進有效的散熱，同時也要做到緊湊和輕巧。在像航空航天這樣的一些行業，部件的尺寸和質量對系統的性能、范圍和成本有直接影響。
在過去的幾十年里，熱交換器的設計并沒有什么變化。主要是受限于傳統制造技術，沒有能力制造復雜的結構，比如優化熱流的內部通道。然而，隨著金屬3D打印技術的發展，以前被認為不可能的3D熱交換器設計可以輕松地制造出來。所需要的只是一個專門的軟件工具來設計新的、更有效的設備。
優化的管中管熱交換器
開發團隊使用三維設計軟件，開發了一種特殊類型的熱交換器，叫作管中管交換器，經常用于飲用水系統和建筑能源系統中。管中管交換器的特點是內管嵌套在外管中。
展開 根據3D科學谷的市場研究，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。
更薄
帶來更高的效益
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。
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。
圖片來源：US10175003B2_additive manufacturing heat exchanger_GE
3D打印技術允許整體制造非常薄的翅片，例如具有介于約0.10mm和5.08mm之間厚度的翅片。制造極薄翅片的能力也使得能夠制造熱交換器具有非常大的熱交換特征密度。
展開 之前3D科學谷介紹過一家成立于2011年的英國公司HiETA，這家公司正在通過增材制造的方法開發用于生產各種熱管理應用的復雜、輕型結構的金屬零件。制造的零件包括用于微型燃氣輪機的熱交換器、渦輪機械和燃燒部件，還包括那些用于燃料電池的相變換熱器和綜合廢熱回收系統，以及用于高效內燃機散熱的部件。本期，3D科學谷通過HiETA最近所獲得通過的專利《Combined Chamber Wall and Heat Exchanger》 （組合室壁和熱交換器 ）來與谷友深入了解HiETA的熱交換器開發的更多細節。
圖片：裝配HiETA的MiTRE的 Delta Motorsport汽車發動機，來源：TCT
熱交換器對發動機的重要性
傳統上，熱交換產品通常由焊接在一起的薄片材料制成。設計的復雜性使得生產具有挑戰性并且耗時，而且用于焊接工藝的材料增加了部件的整體重量。
采用傳統的制造方法無法經濟有效的減少低壓燃燒氣體和高壓充氣氣體之間存在嚴重的傳熱不平衡。
根據之前的專利WO-A-2006/064202和WO-A-2008/047096，這其中介紹了熱交換器問題的部分解決方案，公開了基于粉末的增材制造方法，通過SLM選區金屬熔化3D打印技術可以制造緊湊的熱交換器。SLM選區金屬熔化3D打印技術允許制造具有更高表面/體積比的更緊湊的熱交換器，
另一個潛在的解決方案是基于商用渦旋壓縮機技術的Brayton循環熱力發動機。根據專利WO-A-2003/069130，這項專利公開了這樣一種熱力發動機，其主要機械部件是冷渦旋壓縮機和熱渦旋膨脹機，每個熱渦旋壓縮機通常包括殼體、固定渦旋和繞動渦旋，以及相關的閥、管道、軸承和其他組件。
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長距離氣動導向
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3.
冷卻系統可以將這些熱量從服務器機房帶走，而在一個設計精良的數據中心里，這些熱量可以通過熱交換和余熱回收系統轉化為電能——這些電能隨后可以在數據中心內重復使用，替代原本需要從發電系統獲取的電力。借助Ansys Mechanical結構仿真軟件、Fluent軟件和Thermal Desktop軟件等仿真解決方案， 工程師能夠探索對整個AI數據中心進行功耗優化可能的方案。
對于熱式質量流量計，原理依賴于加熱元件與氣體之間的熱交換，劇烈的機械振動可能導致傳感器內部微細結構的應力變化，甚至引起加熱元件與溫度傳感器之間的相對位移，從而產生噪聲信號，導致讀數波動或零點漂移。
核心設備：冷卻水塔、水泵、管路、熱交換器、環境艙等。
4. 數據采集與控制系統
功能：這是平臺的“大腦和神經系統”。
控制：協調整個測試流程，如控制被測電機的啟停、調速，控制加載設備的負載大小，實現復雜的工況模擬（如按照預設的轉速-轉矩曲線運行）。
采集：高速、同步地采集來自所有傳感器（電氣、機械、溫度、振動等）的信號。
例如高粘度流體（如某些油類、聚合物溶液）流動性差，容易在傳感器表面形成滯留層，導致熱交換效率下降，造成測量偏差；而極低粘度氣體（如氫氣、氦氣）則因熱容小、導熱快，也可能對傳感器設計提出更高要求。
二、Bronkhorst如何應對不同粘度流體？
探索熱輻射—紅外發射率測量儀3個月前
紅外發射率（Emissivity,ε）作為表征材料表面熱輻射能力的核心物理參數（定義為物體在相同溫度下輻射能量與理想黑體輻射能量的比值，0≤ε≤1），其數值大小深刻影響著材料與外界環境的熱交換過程。這一參數并非固定不變，而是受材料成分、表面粗糙度、工作溫度及觀測波段等多種因素的綜合調控。
為延長使用壽命并維持高效性能，建議用戶每年安排一次專業維護，重點清理燃燒器、熱交換器及風機葉輪上的積塵與水垢。定期保養不僅能提升熱效率、降低能耗，還能提前發現老化部件，避免突發停機。當遇到無法自行解決的異常狀況，及時撥打售后服務電話獲取技術支持，可有效縮短停用時間，保障家庭熱水供應的連續性與安全性。
液冷通常使用強制對流或熱交換器（輻射器），在液體返回熱源之前對其進行冷卻。液冷的常見應用示例包括高性能計算機、電池系統、電機和電動汽車。
射流沖擊冷卻：高效的散熱解決方案，通過噴嘴將流體噴射到熱源上。更高的流速、湍流以及沖擊表面有時發生的汽化，會顯著增加從物體到流體的熱傳遞。
3.自動生成接觸條件
自動批量設置零部件的接觸類型，有特殊接觸需要的零件，可以手動變更接觸類型；
4.熱條件輸入
通過時間曲線的振幅因子，控制不同時間的水路溫度輸入；
定義需要計算的預熱溫度場輸入，可以是功率也可以是溫度，或者是變化的溫度場輸入，比如開始時100℃，1小時后變更為90℃等，可以通過上述實際曲線進行控制；
定義上下與注塑機接觸面的熱交換系數
