熱交換器
關注創(chuàng)建者：劉笑天 創(chuàng)建時間：2016-12-06
熱交換器的視頻教程
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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熱交換器的實例教程
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(yè)和應用 - 從汽車散熱器到航空航天應用，如發(fā)動機油冷卻和噴氣燃料預熱，再到發(fā)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(yōu)點是可取的，但直到現在制造這種設計充滿挑戰(zhàn)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(fā)一種創(chuàng)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(chuàng)新設計的熱交換器通過傳統(tǒng)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 計算流體力學提供了流動可視化和性能預測，非線性熱機械有限元建模用于理解合成位移和應力，EOS的增材制造軟件工具套件用于數據準備，流程優(yōu)化和質量保障。
ConfluxCore 3D打印熱交換器的開發(fā)過程在六個月之內?，F在他們已經使用3D打印設備制造出6個熱交換器原型，用于驗證，并以此來開發(fā)最終的熱交換器產品。
ConfluxCore熱交換器熱交換性能與基準數據的對比
Conflux 公司將 ConfluxCore熱交換器與方程式1基準測試進行了比較，Conflux和Young Calibrations（測試實驗室）發(fā)現，熱交換器的排熱性能比傳統(tǒng)熱交換器高三倍。
排熱性能提升主要歸功于通過3D打印制造的復雜內部幾何結構，這些結構使得熱交換器在不增加體積的情況下，增加了表面積，與此同時，3D打印部件的壓降減少了三分之二，交換器的尺寸減小了55毫米，重量減輕了22％。這種功能集成化的設計，還減少了熱交換器所需的部件和對焊接的需求。
此外，通過3D打印技術制造熱交換器還具有靈活性，由于可以在無需模具的情況下實現金屬熱交換器的直接制造，Conflux 可以根據用戶的具體用途，調整熱交換器的大小和形狀，并快速按需制造出新的熱交換器。
3D打印技術能夠實現復雜的點陣結構，由于點陣結構的存在從而保持了廣泛的熱交換表面，可以獲得較高的散熱表面/體積比。
據市場觀察，不少公司進行了通過點陣結構進行散熱的商業(yè)化努力，其中包括HiETA Technologies與Delta Motorsport合作設計和制造、用于微型燃氣渦輪系統(tǒng)的并流換熱器，以及本文所提及的Conflux 新一代高效熱交換器。
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(chuàng)新的幾何形狀，工程師們開發(fā)了具有拓撲優(yōu)化功能的三維熱交換器設計軟件。這款軟件專門用于優(yōu)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(yè)產生重大影響。
機械科學與工程教授William King說："我們開發(fā)了形狀優(yōu)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(tǒng)設計明顯不同且更好的3D設計。"
△優(yōu)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(yōu)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(yè)中都非常重要，幾乎所有產生熱量的復雜系統(tǒng)都要用到熱交換器。包括發(fā)電系統(tǒng)、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(yè)，部件的尺寸和質量對系統(tǒng)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(tǒng)制造技術，沒有能力制造復雜的結構，比如優(yōu)化熱流的內部通道。然而，隨著金屬3D打印技術的發(fā)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(yōu)化的管中管熱交換器
開發(fā)團隊使用三維設計軟件，開發(fā)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(tǒng)和建筑能源系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)的制造方法無法制造出來。
更薄
帶來更高的效益
傳統(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(yè)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 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(tǒng)
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(tǒng)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(yōu)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(tǒng)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。
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長距離氣動導向
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長距離與氣動導向技術
在熱交換器、鍋爐管或冷凝器等長距離檢測場景中，傳統(tǒng)機械鋼絲繩導向容易產生遲滯。為此，長距離視頻內窺鏡（如IPLEX GAir）引入了氣動彎曲技術，利用微型空氣壓縮單元驅動探頭。即使在30米的長度下，也能實現零摩擦、響應迅速的精準導向，配合重力傳感器與長度計數器，實現缺陷的精準定位。
3.
核心設備：冷卻水塔、水泵、管路、熱交換器、環(huán)境艙等。
4. 數據采集與控制系統(tǒng)
功能：這是平臺的“大腦和神經系統(tǒng)”。
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。
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(yè)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(yǎng)不僅能提升熱效率、降低能耗，還能提前發(fā)現老化部件，避免突發(fā)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(xù)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(tǒng)、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(fā)生的汽化，會顯著增加從物體到流體的熱傳遞。
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3.
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