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3D打印热交换器是如何设计和制造的?

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橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)近日公布了一项新的发明——3D打印碳排放物吸收装置。该装置通过化学吸收过程从化石燃料排放的废气中捕获二氧化碳。

本期优化讲坛,我们通过ORNL的案例,一起来探讨3D打印热交换器是如何设计和制造的。

碳排放物吸收装置的工作原理是将废气烟道连接到一个吸收塔中,废气通过一些化学物质(如单乙醇胺),这些化学物质与废气发生反应,捕获二氧化碳。现在的问题是,这个反应是放热的,在塔内产生了大量的热量,降低了反应的效率。

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因此,新的碳排放物吸收装置内部安装了一个3D打印热交换器。

下面的动图说明了废气和冷却液的流动路径。

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冷却液入口在右边,出口在左边。废气从上到下流动,通过3D打印的冷却通道,废气中的热量被冷却装置吸收。

ORNL将他们的3D打印多功能换热器称为“intensified device”。因为它是多功能的,除了热交换器,也作为质量交换接触媒介。

“控制吸收温度是捕获二氧化碳的关键,” ORNL的项目研究人员说,“除反应温度外,影响CO2吸附的其他因素还有废气流量,以及与CO2反应所用化学溶剂的流量。”

所以,研究小组将尝试不同的3D打印几何形状,研究冷却装置的结构对冷却和反应速率的影响。

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笔者注:目前3D打印的冷却装置内部结构为45°角的折线形,主要是为了方便3D打印的工艺可实现性,并不一定是最佳的冷却装置结构。
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在材料方面,目前的设备是由铝合金制造的,但研究人员也在考虑使用新兴的高导热聚合物。

延伸阅读
3D打印高导热聚合物

一般来说,塑料并不是很适合导热,在大多数情况下,塑料的传热能力远远低于金属。

高导热聚合物材料的导热系数为8~15W/m·K。导热性可以和不锈钢媲美,但密度只有铝的一半。

热导率的大小与物体的结构有很大关系,因为热导率:

K = (QL) /(AΔT)

K是导热系数;

Q是通过材料传递的热量;

L是两个等温平面之间的距离;

A是表面的面积;

ΔT是温度差。

变量L和A与部件的几何形状有关,它们会直接影响K的值。

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FDM高导热聚合物打印的散热器

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首次发布时间:2021-10-29
最近编辑:2年前
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