伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的研究人員利用增材制造（AM）技術(shù)開發(fā)了一種緊湊型水冷式冷凝器，其性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的熱交換器設(shè)計。該研究發(fā)表在《國際熱量和質(zhì)量傳遞雜志》上，介紹了一種用于R134a制冷劑的3D打印鋁制冷凝器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化以最大化熱傳遞效率。該設(shè)備實現(xiàn)了高達6.2?MW/m3的體積功率密度，比傳統(tǒng)的殼管式設(shè)計高出30-50%，同時保持了相當?shù)谋盟凸β省?/p>

3D打印實現(xiàn)先進內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)

該冷凝器采用AlSi10Mg合金通過激光粉末床熔融技術(shù)制造，能夠創(chuàng)建傳統(tǒng)減材方法無法實現(xiàn)的復(fù)雜內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)包括制冷劑側(cè)的V形流動擾流板和水側(cè)的十字形波紋鰭片，設(shè)計用于增強湍流并提高局部熱傳遞系數(shù)。與依賴堆疊板或翅片管的傳統(tǒng)熱交換器不同，這種3D打印架構(gòu)允許精確調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以管理多流體路徑中的流動、壓降和熱阻。

多程交叉流架構(gòu)實現(xiàn)緊湊性能

該冷凝器采用多程、多通道交叉流架構(gòu)，旨在在緊湊的占地面積內(nèi)優(yōu)化水和制冷劑之間的熱交換。在交叉流配置中，冷卻水和制冷劑這兩種流體相互垂直流動，從而增強熱交換器內(nèi)部表面的熱接觸。

每個流體域內(nèi)的多個平行流動路徑增加了表面積并改善了流動分布。水和制冷劑都被引導(dǎo)通過冷凝器的幾個連續(xù)階段。在這個設(shè)計中，制冷劑流經(jīng)四個程，每個程的通道逐漸變窄，以補償其在冷凝過程中密度的增加。同時，水在其自己的四程電路中以相反方向流動。

這種架構(gòu)使得能夠精確控制流體速度、壓降和熱梯度，確保兩種工作流體之間的高效能量傳遞。盡管內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，該單元保持了緊湊的外部尺寸為260?×?235?×?39?mm。

模擬引導(dǎo)優(yōu)化和機器學習集成

為了優(yōu)化水側(cè)性能，研究團隊結(jié)合了二維有限元模擬和一個基于36,000個參數(shù)化鰭片形狀訓練的機器學習模型。該模型預(yù)測鰭片效率和面積增強因子，作為基于物理的分段熱模型的輸入。設(shè)計候選方案通過參數(shù)掃描進行篩選，并使用計算流體動力學（CFD）模擬進行細化，以驗證局部溫度、速度和壓力分布。

在定制蒸汽壓縮回路中的實驗驗證

該原型在定制建造的蒸汽壓縮回路中進行了實驗測試。冷凝器展示了在35°C到49°C的制冷劑飽和溫度范圍內(nèi)，3?kW到8?kW的熱傳遞率。水側(cè)流量在5到40升/分鐘之間進行測試?；谖锢淼哪Ｐ秃虲FD結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)在5%的精度范圍內(nèi)匹配，驗證了模擬框架的可靠性。

與低GWP制冷劑的兼容性

盡管最初使用R134a進行測試，但該研究評估了其他制冷劑（如R1234yf、R32、丙烷和異丁烷）的性能。這些制冷劑的全球變暖潛能（GWP）比R134a低，使用相同的幾何結(jié)構(gòu)和相當?shù)捏w積流量進行了評估。模擬顯示，在較高流量下，R32的熱傳遞率是R134a的兩倍，而丙烷和R1234yf表現(xiàn)出類似或略有改進的性能。

增材制造熱部件的展望

該研究提供了一種經(jīng)過驗證的設(shè)計方法，用于使用AM制造緊湊、高效的兩相熱交換器。能夠在分段級別微調(diào)熱阻、流動路徑和幾何結(jié)構(gòu)，結(jié)合經(jīng)過驗證的CFD和實驗結(jié)果，使這種方法適用于現(xiàn)實世界中的HVAC、汽車、數(shù)據(jù)中心和航空系統(tǒng)應(yīng)用。

該冷凝器設(shè)計增加了使用3D打印重塑熱交換器性能的研究和商業(yè)開發(fā)的不斷增長。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）最近的一項研究，被《麻省理工科技評論》報道，探索了使用金屬3D打印制造用于電子和航空領(lǐng)域的微型化熱交換器。這些設(shè)備采用了折疊幾何結(jié)構(gòu)以最大化表面積，盡管早期測試中的性能提升仍然有限。

與此同時，像Conflux Technology這樣的公司也在努力。2024年10月，Conflux在B輪融資中籌集了1100萬歐元，以擴大其使用激光粉末床熔融技術(shù)生產(chǎn)的3D打印熱交換器。該公司還與Rocket Factory Augsburg合作，將3D打印熱交換器集成到軌道火箭中，展示了AM在生產(chǎn)能夠承受極端條件的部件方面的適用性。該公司還推出了一種高性能的卡式熱交換器，專為汽車和工業(yè)環(huán)境中的流體控制系統(tǒng)設(shè)計，其特點是緊湊的形式和優(yōu)化的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)。

其他努力包括GE Research，該公司開發(fā)了一種葡萄形狀的3D打印熱交換器，能夠在900°C下運行，超過了現(xiàn)有解決方案的溫度限制200°C以上。這些發(fā)展展示了增材制造在熱管理系統(tǒng)中的靈活性和應(yīng)用特定設(shè)計的優(yōu)勢。