熱交換的案例
看3D打印如何助力逆流熱交換器提升熱交換效率
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?。┖苋菀讟嫿ㄟ@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 通過3D打印技術進行熱交換器重塑
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 3D打印優化設計熱交換器，性能提高了20倍
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 看GE通過3D打印重新定義熱交換器?
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 
看3D打印組合室壁和熱交換器如何適用于斯特林發動機
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。
展開 第十八期 Amesim視頻教程熱交換器建模仿真專題
第十八期 Amesim視頻教程熱交換器建模仿真專題
熱交換器在工業生產中的應用極為普遍，本期課程主要講解各類型熱交換器的建模和參數設置，包含板翅式、管殼式、翅片管等通用間壁式熱交換器的詳細參數設置和計算。可以計算濕空氣、液體、氣體、兩相流等任意兩中流體之間的熱交換計算。Amesim仿真熱交換器十分便利，本期課程為了通俗易懂，全部采用三維形式講解各參數含義和計算過程。
推薦理由：
適合所有使用熱交換器的領域
包含了多種類型的常用熱交換器
熱交換器的細節參數和全局參數都采用三維圖形解釋
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展開 詳解航空燃油滑油3D打印熱交換器設計流程 附ANSYS CFX Tutorials R180下載
通過燃油滑油熱交換器（FCOC）在機油和燃料之間傳遞熱能，將能夠起到以下作用：
使機油冷卻到足以潤滑和冷卻系統
防止燃料結晶
使燃油接近點火溫度
解鎖先進航空熱交換器
設計與仿真
在FCOC 新一代高性能熱交換器的設計項目中，要求是通過增材制造熱交換器替換傳統管殼式熱交換器，并研究是否可以使用先進設計和增材制造來提高這種熱交換器的性能。
▲圖2 管殼式熱交換器
來源：nTopology
l 在有限空間中提高熱性能
設計師需要在給定的有限空間中進行設計優化，一種有效的辦法是使用高級幾何圖形，以數學方式精確地控制此設計空間內部的幾何圖形。在FCOC 項目中，設計師使用nTOP 平臺定義了一個體積，用于FCOC 的設計迭代，迭代方式是在實現表面積最大化的同時實現壁厚最小化。
在本案例研究中使用了三重周期最小表面（TPMS），它既具有高強度重量比，又具有非常高的表面積質量比。螺旋(gyroid) 是一種TPMS，可用于定義內部體積。通過在這種熱交換器中使用螺旋結構，與更相同尺寸的傳統管殼式熱交換器相比，該螺旋結構的表面積增加了146％。
Gyroid = S in(x)Cos(y) + S in(y)Cos(z) + S in(z)Cos(x)
當這一設計與增材制造技術相結合時，將能夠實現以往無法實現的具有高強度和散熱要求的零件。
展開 基于simsolid的熱交換分析以及與workbench分析對比
圖8 熱交換結果云圖
杯子在與杯墊交接的地方是熱流最大的區域，最大值為4.6E3W/m^2。
4.simsolid以及ANSYS workbench分析結果對比
作為對比，筆者還選擇了ANSYS workbench進行同樣的熱交換分析，在網格劃分階段，筆者為了進行精確求解，對網格尺寸設置為0.5mm，網格劃分過程進行了5min，網格信息如圖所示。
圖9 ANSYS workbench網格文件
然后再進行載荷施加以及熱交換參數設定，此處不再贅述，求解過程花費時間約為5min。
求解結果如圖所示：
圖10 workbench溫度結果云圖
圖11 ANSYS workbench熱交換結果云圖
杯子外表面溫度在82~91℃，杯把的主體溫度在22~39℃，杯子在與杯墊交接的地方是熱流最大的區域，最大值為5.8E3W/m^2。
和simsolid結果進行對比：
表1 simsolid與ANSYS workbench分析結果對比
軟件
杯體溫度
杯把溫度
最大熱流
Simsolid
77~92
24~39
4.6E3W/m^2
ANSYS workbench
82~91
22~39
5.8E3W/m^2
誤差
-6%、1%
9%、0
20%
在網格精度較大的情況下，且認為ANSYS workbench求得的結果為精確解，simsolid求得的溫度場和ANSYS workbench求得的解誤差較小，而熱流交換有較大誤差。
展開 金屬3D打印大型鎳超合金熱交換器，散熱效率提高2倍
根據南極熊的市場觀察，熱交換器市場正在快速增長，預計到2026年將增長到約300億美元。3D打印熱交換器正在優化航空航天、國防、工業、石油和天然氣、汽車和賽車行業的產品，提升性能。
如何在熱交換器中同時使用流動仿真和熱分析
步驟1：
通過此圖形創建簡化熱交換器
步驟2：
在 SW 中，您可以獲得 model。打開 “Flow Simulation” 模塊
步驟3：
創建新的流程項目
步驟4：
在“type of task”（任務類型）頁面上，打開“Heat conduction in solids”（固體中的熱傳導）
步驟5：
在“fluid”頁面上添加“water”
步驟6：
在“material”頁上添加 material aluminum。所有其他參數均為默認值
步驟7：
在細部孔中創建插件
步驟8：
在細部孔上創建邊界條件。在套管入口處創建質量流量 5kg/s 的參數。溫度為 573K
步驟9：
在外殼外部，創建一個邊界條件 “ambient pressure”
步驟10：
在管道入口處，創建一個邊界條件，“輸入速度”為 1m/s，溫度為 278K
步驟11：
在管道出口處，設置邊界條件“出水速度”1m/s
步驟12：
開始計算
步驟13：
計算后添加結果“流動軌跡” – 流動溫度，類型 – 管材，內管面（進管、出管），點數 - 100
步驟14：
添加結果 “流動軌跡” – 流動溫度，類型 – 管材，內管面（進、出），點數 – 20
步驟15：
你得到結果??！
溫度上升約 30 度。
我不知道您的熱交換器的參數，因此結果是近似的。
展開 使用GB151-2014《熱交換器》附錄C規范計算換熱器流體誘發振動情況并使用ANSYS 16.2校核固有頻率結果
流體誘發振動問題是曾在上個世紀40年代引起了廣泛的關注與深入的研究
一般來說是因為高速氣流沖刷某結構（如換熱器的換熱管）因誘發周期性脫離的卡門渦街引發的周期性激勵力與結構耦合所引發的 過大的耦合效應會使得結構發生振動、疲勞甚至破壞失效
本文所涉及的設備為擴展表面式管翅式熱交換器 其常規的迎面風速為2M/S左右 一般不用校核流體誘發振動問題 本設計的迎面風速為4.7米/S 筆者使用最新版GB 151-2014《熱交換器》附錄C 流體誘振動部分的算法經過校核后發現 原設計不合格 規范中規定的4個失效條件有3個滿足 必須更改結構 經修改 滿足了要求 結構是安全的 最后還使用Ansys 16.2的模態分析模塊校核了換熱管的固有頻率 以驗證手工計算結果
使用GB151-2014《熱交換器》附錄C規范計算換熱器流體誘發振動情況并使用ANSYS 16.2校核固有頻率結果.pdf
展開 
緊湊型熱交換器間斷翅片的湍流增強傳熱的流場FLUENT仿真分析 ￥299
針對緊湊型熱交換器出現了斷續和交錯翅片。間斷肋片上邊界層的不斷變化導致了高的傳熱系數，并且每個翅片后面的尾跡區域存在湍流混合。這比連續翅片熱交換器的傳熱效果更好。熱交換器示意圖如圖1所示。幾何包含在頂部和底部平面的對稱邊界條件。
假設在換熱器中加熱壓力為240k的液氨，翅片壁的溫度恒定為350k。液氨通過換熱器的質量流量為303.14 kg/s-m2，水力直徑為3.51 mm，液氨粘度為0.000152 kg/m-s，基于水力直徑的雷諾數為7000，為弱湍流區(即，低雷諾數湍流度)。仿真結果如下：
溫度場
壓力場
局部速度矢量圖
展開 SolidWorks 中定制設計的熱交換器 ￥5
這是 SolidWorks 中定制設計的熱交換器，其緊湊高效的布局可最大程度地提高熱傳遞效率。該設計采用逆流配置，以改善兩種流體之間的熱交換。它適用于工業冷卻應用，以提高性能和能源效率。
?Assembly of Heat exchanger Part.SLDPRT
補強圈，板殼式熱交換器，料倉等規范更新
其中與壓力容器行業有關的有：
標準編號
標準名稱
代替標準
批準日期
實施日期
NB/T 11025-2022
補強圈
JB/T 4736-2002
2022-11-4
2023-5-4
NB/T 11026-2022
板殼式熱交換器
2022-11-4
2023-5-4
NB/T 47003.1-2022
常壓容器 第 1 部分：鋼制焊接常壓容器
NB/T 47003.1-2009
2022-11-4
2023-5-4
NB/T 47003.2-2022
常壓容器 第 2 部分：固體料倉
NB/T 47003.2-2009
2022-11-4
2023-5-4
NB/T 47011-2022
鋯制壓力容器
NB/T 47011-2010
2022-11-4
2023-5-4
NB/T 47018.4-2022
承壓設備用焊接材料訂貨技術條件 第 4 部分：埋弧焊鋼焊絲和焊劑
NB/T 47018.4-2017
2022-11-4
2022-12-31
NB/T 47018.6-2022
承壓設備用焊接材料訂貨技術條件 第 6 部分：鋁及鋁合金焊絲和填充絲
NB/T 47018.6-2011
展開 3D打印飛機蒙皮的散熱或除冰組件
3D打印實現一體化結構
目前國、內外飛機環境控制系統中主要有以下兩種：
空氣-液體熱交換器
(簡稱：空-液熱交換器)——采用沖壓進氣道、利用沖壓空氣對來自電子設備的熱流體進行冷卻降溫，目前國、內外多數飛機采用這種形式。
缺點：空-液熱交換器體積較大、高度較高(通常大于100㎜)，沖壓進氣道和沖壓空氣對飛機產生較大的氣動阻力，沖壓進氣道內的空氣對飛機有較大的燃油代償損。
空氣-空氣蒙皮熱交換器
(簡稱：空氣蒙皮熱交換器)——熱空氣在飛機外蒙皮和機身結構之間的夾層中流動時，利用飛機與環境空氣的相對速度對熱空氣進行冷卻降溫。
缺點：空氣-空氣蒙皮熱交換器的換熱能力、制冷效果遠不如空氣-液體蒙皮熱交換器(簡稱：液體蒙皮熱交換器)。
西安飛機設計研究所研究的蒙皮熱交換器的外層散熱單元與內層散熱單元采用3D打印整體成型。其中，外層散熱單元外表面、外層散熱單元內表面及多個外層散熱隔板采用3D打印整體成型。內層散熱單元外表面、內層散熱單元內表面及多個內層散熱隔板采用3D打印整體成型，通過3D打印實現一體化的結構，提高了整體強度。
這是一種雙層飛機蒙皮熱交換器，包含外層散熱單元和內層散熱單元，外層散熱單元與內層散熱單元之間設置有空氣通道，外層散熱單元設置有外層散熱微通道，內層散熱單元設置有內層散熱微通道，換熱效率高，可減少集中熱輻射和雷達熱反射面積，可以滿足飛機隱身性能要求。 這種雙層飛機蒙皮熱交換器安裝在機身蒙皮外表面，利用空氣帶走液體的熱量，減小了系統對飛機的燃油代償損失。
航空航天器中熱負荷的有效管理也受到導熱碳纖維復合材料和其他導熱非金屬材料用于飛機結構構件和飛機蒙皮的趨勢的影響。
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