格拉斯哥大學(xué)的3D打印熱交換器，比傳統(tǒng)設(shè)計效率高50%

2022年4月17日。南極熊獲悉，格拉斯哥大學(xué)研發(fā)人員表示，他們開發(fā)了一種新型輕型3D打印熱交換器。該設(shè)計利用迷宮般的重復(fù)陀螺結(jié)構(gòu)，對比傳統(tǒng)的同類產(chǎn)品更緊湊、更高效。這項研究由格拉斯哥大學(xué)詹姆斯·瓦特工程學(xué)院的Shanmugam Kuma博士以及Swansea大學(xué)和Khalifa科技大學(xué)共同研發(fā)。

△用于傳熱和流體流動仿真的COMSOL Multiphysics軟件模型(a)尺寸為4.6mm x 4.6mm x 4.6m且壁厚為300um (b)描述強(qiáng)加邊界的物理模型。圖片來自格拉斯哥大學(xué)

熱交換器是在流體之間傳遞熱量而不使流體混合的裝置，具有廣泛的應(yīng)用。在流體之間傳遞熱能的熱交換器被用于制冷系統(tǒng)、燃料電池以及汽車和飛機(jī)上使用的內(nèi)燃機(jī)。在追求輕量化工程的過程中，人們一直在尋找具有高性能的超輕質(zhì)材料。具有可調(diào)機(jī)械性能的3D打印蜂窩材料。

該熱交換器的高性能歸功于液體流過交換器的表面的設(shè)計。核心設(shè)計成了一個布滿了螺旋排列的小孔。該團(tuán)隊已經(jīng)將研究成果發(fā)表在《應(yīng)用熱工程》，《通過 3D 打印實現(xiàn)的高性能、微架構(gòu)、緊湊型熱交換器》，該研究得到了Abu Dhabi國家石油公司的資助。點我傳送門

△陀螺晶格緊湊型換熱器的設(shè)計和制造，(a) 4.6mm x 4.6mm x 4.6mm的陀螺晶格CAD表面(b) 包含7x7x7螺旋晶格陣列的交換器核心厚為300微米，孔隙率為80% (c)熱交換器的CAD截面圖清楚地描繪了螺旋體芯、覆蓋板和集管組件(d) 3D打印熱交換器(e)X射線微計算機(jī)斷層掃描圖像(f)沒有蓋板的3D打印熱交換器(g)小尺度缺陷。圖片來自格拉斯哥大學(xué)

該團(tuán)隊宣稱，螺晶格結(jié)構(gòu)是整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的一部分，使用非自相交和高度對稱的三周期最小曲面（平均曲率為零）幾何結(jié)構(gòu)。研究小組選擇使用重復(fù)的陀螺結(jié)構(gòu)作為熱交換器，因為熱交換的效率與它的表面積有關(guān)——表面積越大，流體將熱能從一個物體傳遞到另一個物體的機(jī)會就越多。這意味著表面積大的物體比表面積小的物體冷卻或加熱流體的速度更快。

他們的微型陀螺儀設(shè)計是由簡單的光致聚合物和精密的3D打印機(jī)制造而成，將一個大的表面積設(shè)計成一個緊湊的立方體，每邊32mm，實際重量僅為8克。

讓水通過類似于迷宮的設(shè)計，當(dāng)水以每分鐘100到270毫米的速度流過熱交換器時，溫度變化在10到20攝氏度之間。

該團(tuán)隊測量了他們的新型換熱器傳熱系數(shù)——衡量其在流體及其表面之間傳熱的有效性。因此他們測試對比了一系列由聚合物和金屬等材料制成的，不同尺寸的傳統(tǒng)熱交換器。盡管他們新開發(fā)的原型機(jī)只有其體積的10%，但他們的新型熱交換器的效率比熱動力等效的、效率最高的逆流熱交換器高出50%。

△(a)熱流體(b)冷流體(c)分隔壁(d)對應(yīng)于實驗測試的壓力模擬等值面。圖片來自格拉斯哥大學(xué)

Kumar 博士說：“幾年來，我們一直在努力尋找這種3D打印陀螺晶格結(jié)構(gòu)的新應(yīng)用。未來該技術(shù)可用于包括可回收高性能電池和未來“智能”醫(yī)療設(shè)備等(如假肢和背部支架)的開發(fā)。

“能夠開發(fā)更小、更輕、更高效的熱交換器可以幫助我們開發(fā)需要更少功率的制冷系統(tǒng)，或者可以更有效冷卻的高性能發(fā)動機(jī)。我們渴望在未來的研究中進(jìn)一步發(fā)展這項技術(shù)�！�

通過我們的研究，可以使用這些陀螺晶格結(jié)構(gòu)來創(chuàng)造一種具有非常大的表面積與體積比的結(jié)構(gòu)，這有利于熱交換。