避免焊接，更薄，看3D打印平行流换热器歧管的优势几何？

热交换器正在发生变革，下一代换热器与散热器正在来临。热交换器被用于许多系统中，从汽车到空调单元到先进热处理系统中的能量回收装置。本期，3D科学谷特别分享美国能源技术研究所通过3D打印平行流换热器应用方面的进展。

通常，热交换器的设计必须考虑各种因素。例如，结垢可能导致压降增加和传热速率降低，这会对热交换器效率产生不利影响。此外，热交换器可能受到高速流体（气体或液体）流动的影响，颗粒负载会提高系统某些区域的磨损率。当热交换器在升高的温度下操作时，侵蚀问题会加剧。类似地，通过热交换器的流体可能含有酸或其他腐蚀性物质，甚至在升高的温度下甚至会使热交换器的内部降解腐蚀掉。

对于平行流热交换器，流体可以彼此平行或反平行地流动（即，并流逆流），这减少了热交换器内流体停滞的可能性。并且利用平行流，热交换器可以在一个维度上膨胀（即，增加长度同时保持宽度相同）以增加传热面积，从而最小化对压力和速度的影响。

当然歧管还可以包括多个通道，举例来说第四个方向不同于另外三个方向，通过这种方式，歧管能够使来自三个不同流体源的流体在热交换器内平行流动。

热交换器的歧管透视图。来源：US 10401096B2

为了进一步最小化停滞的可能性并保持高流速，流体进入歧管的方式可包括一组扩散器以适当地引导流动。3D打印用于制造热交换器中的歧管，不需要专业焊接或其他复杂的制造方式，并可以应用不同的曲率半径，

而在操作温度和耐腐蚀性方面，可以选择253MA不锈钢或Incolnel镍基合金等金属材料，热交换器可在高温、高腐蚀性环境中连续运行。此外，为了控制热膨胀问题，表面必须是薄壁的，3D打印为薄壁结构的制造提供了可行性。

总体来说，美国能源技术研究所通过3D打印平行流热交换器的歧管，可接收多个热流体源和单个相对冷的流体源，使得热量从热流体传递到相对冷的流体。3D打印避免了焊接的需求，并且使得歧管实现薄壁结构。

面向下一代的热交换器制造，不少公司已经进行了战略性的布局，其中2019年GE宣布与马里兰大学和橡树岭国家实验室合作研发UPHEAT超高性能换热器，在两年半内完成开发计划，实现更高效的能量转换和更低的排放。GE希望新型换热器将在超过900°C的温度和高于250 bar的压力下运行，超临界CO2动力循环的热效率提高4％，在提高动力输出的同时减少排放。

3D打印的热交换器。来源：TEMISTh

而另外一个项目，AddUp，Sogeclair和TEMISTh合作的HEWAM项目，开发的Inconel 718材料热交换器，确保薄壁（<0.5mm）无泄漏和薄翅片（0.15mm）。

3D打印热交换器的优势。

换热器与散热器对设备可以长效稳定运行起到了关键的作用，3D打印用于换热器和散热器的制造满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势。特别是用于异形、结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分复杂的形状、点阵结构等加工，3D打印具有传统制造技术不具备的优势。