熱交換技術的案例
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 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 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 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
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 什么是核心交換機的鏈路聚合、冗余、堆疊、熱備份
四、熱備份（HSRP)
核心交換機是整個網絡的核心和心臟，如果核心交換機發生致命性的故障，將導致本地網絡的癱瘓，所造成的損失也是難以估計的。所以我們在選擇核心交換機時，經常會看到有的核心交換機具有堆疊或熱備份等功能。
對核心交換機采用熱備份是提高網絡可靠性的必然選擇。在一個核心交換機完全不能工作的情況下，它的全部功能便被系統中的另一個備份路由器完全接管，直至出現問題的路由器恢復正常，這就是熱備份路由協議.
實現HSRP的條件是系統中有多臺核心交換機，它們組成一個“熱備份組”，這個組形成一個虛擬路由器。在任意時刻，一個組內只有一個路由器是活動的，并由它來轉發數據包，如果活動路由器發生了故障，將選擇一個備份路由器來替代活動路由器，但是在本網絡內的主機看來，虛擬路由器沒有改變。所以主機仍然保持連接，沒有受到故障的影響，這樣就較好地解決了核心交換機切換的問題。
為了減少網絡的數據流量，在設置完活動核心交換機和備份核心交換機之后，只有活動核心交換機和備份核心交換機定時發送HSRP報文。如果活動核心交換機失效，備份核心交換機將接管成為活動核心交換機。如果備份核心交換機失效或者變成了活躍核心交換機，將由另外的核心交換機被選為備份核心交換機。
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 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 車用質子交換膜燃料電池水熱管理
車用質子交換膜燃料電池水熱管理
新型被動冷卻方案：用于質子交換膜燃料電池堆的均熱板
來源 | Renewable Energy
01
背景介紹
質子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種將氫能轉化為電能的直接能源裝置，具有能源效率高、啟動快、無污染排放等優點，因而被廣泛應用于分布式發電、便攜式供電、交通運輸等領域。然而，PEMFC在輸出電能的同時釋放大量廢熱，影響其工作溫度。過高的溫度會導致膜電極組件降解并造成不可逆的損壞，而過低的溫度則不利于反應動力學，影響PEMFC的性能和耐久性。
02
成果掠影
近期，華南理工大學機械與汽車工程學院簡棄非教授團隊提出了一種新穎的被動冷卻方案，將均熱板集成到質子交換膜燃料電池堆中進行熱管理。研究團隊設計并制作了1.32 mm厚的均熱板，并通過使用加熱墊在不同功率下進行測試來驗證其傳熱性能。在確認均熱板能夠滿足散熱要求后，在快速啟動和穩態運行期間對與均熱板耦合的電池堆的輸出特性進行實驗評估。結果表明均熱板在熱通量密度僅為 0.052 W/cm2的情況下有效運行在蒸發部分，同時在 48 W 下保持最大面內溫差 2.6 °C。在電池堆從 0 A 到 40 A 的快速啟動加載過程中，均熱板表現出快速的熱響應和出色的溫度均勻性，防止由于工作溫度不當而導致堆棧性能下降。與一般的風冷電池堆相比，與均熱板結合的電池堆的電壓顯著提高了 21.7%。這些結果系統地證明了均熱板用于風冷質子交換膜燃料電池堆熱管理的可行性。
展開 [案例分析]STARCCM+入門系列之——熱交換之顯卡冷卻
熱傳遞是不同溫度下介質之間熱能的交換。 熱量從溫度高的位置傳遞到溫度低的位置，以達到平衡狀態。 熱傳遞的三個主要機制是：傳導、對流和輻射。
在STAR-CCM+ 中，可以計算流體（單組分或多組分）內、不同流體束之間、流體和固體之間以及固體內的熱傳遞。 流體和相鄰固體中的耦合熱傳遞被稱為共軛傳熱。 對于共軛傳熱分析，使用流體/固體交界面處的有效隱式熱耦合在整個流體和固體求解域中求解能量方程。 所有其他守恒方程僅在流體內進行求解。
1、
問題描述
本案例使用的幾何由 PC 機箱中的簡化顯卡組成。兩個風扇由風扇交界面表示，驅動機箱內的流體。計算域如圖所示：
2、
幾何與網格
（1）本案例的幾何網格采用從外部導入的方法，啟動STAR-CCM+軟件，點擊file→Import→Import surface mesh，選擇準備好的選擇graphicsCard.x_t，然后單擊，接受默認的導入表面選項打開。
（2）共導入26個零部件，在導入的過程中，會在重合的零部件之間自動生成零部件接觸。
（3）本案例的模擬需要兩個區域，一個用于流體域，一個用于實體部件，在Geometry > Parts > Air Case節點，點擊右鍵選擇Assign Parts to Regions在生成的對話框中，選擇Air Case, Air Inlet和 Air Outlet，把空氣域變成一個region。
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 金屬3D打印大型鎳超合金熱交換器，散熱效率提高2倍
Sintavia 表示，除了以上該技術所帶來的這些好處，與傳統設計和制造的交換器相比，通過3D打印技術，可以實現高達2倍的散熱效率、壓降降低3倍，生產效率提高4倍以上的大型金屬熱交換器。
△熱交換器非常適合通過3D打印的方式來實現。圖片來自Sintavia
這些冷卻裝置在未來的船舶發動機是不可或缺的，并為推動金屬PBF技術制造大型、高度復雜和復雜的金屬部件開辟了多種新可能性。該公司打算繼續發揮其作為航空航天、國防和航天工業，推進和熱力系統的主要制造商作用。
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。
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
點擊此處了解詳細信息
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
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