CN111922335A - 一种气液双相换热器的增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气液双相换热器的增材制造方法，包括S1：设置粉末床熔融金属打印机的参数，装入金属原料粉末，载入气液双相换热器的3D模型，打印出材料的密度为所用金属密度的95％以上。S2：打印出气液双相换热器的底板及折流组件；S3：打印出密封壁和位于密封壁内部的芯体；S4：打印出盖体及位于盖体内的引流组件。S5：由下而上逐层打印完成后进行退火处理，以消除制品内的热应力，退火处理之后进行刻蚀或抛光，得到气液双相换热器成品。与现有技术相比，本发明打破了传统换热器加工过程的技术瓶颈，传热面积近似等于材料表面积，将材料利用率提升至近乎于100％，使得换热的面积显著提升。

Description

一种气液双相换热器的增材制造方法

技术领域

本发明涉及换热器领域，尤其是涉及一种气液双相换热器的增材制造方法。

背景技术

气液换热器广泛的用于工业生产过程中，其作用包括气体或液体的预热及加热、液体或气体的残热回收等用途，气液换热器包括双管式、壳管式、以及板框架式等结构。

目前，市面上常用的换热器类型虽然多样，但大多都结构相似。受制于工业生产要求，大多数零部件需要分开生产，且需要采用减材制造的制作方式，导致设备零部件需要考虑密封难易程度、生产难易程度等复杂问题。

CN102012175B公开了一种新型气液换热装置，包括主换热板及若干辅助换热肋片；其特征在于：所述主换热板上设有进、出液口，内部则设有分别与进、出液口相连的进、出液主流道，而所述辅助换热肋片竖向平行间隔排布于主换热板上，每根辅助换热肋片内设有分别与进、出液主流道相连的进、出液分流道，同时在每根辅助换热肋片内还设有若干竖向贯通连接前述进、出液分流道的次分流道。该气液换热器中材料表面积远大于换热面积，使得换热器中换热材料的利用难以提升。

现有的气液换热中，大多采用气液流道相互独立的设计，即两套独立的流体结构体系，虽然设计者能够通过波浪板等方式增加气液接触面积，但传热面积始终小于材料表面积，无法充分利用材料，造成了大量材料的浪费以及无法突破的换热效率瓶颈等本质问题。因此如何提升换热器换热效率及换热能力的问题，实际为如何突破换热器的制造工艺瓶颈，以此使得换热的面积提升。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种气液双相换热器的增材制造方法，打破了传统换热器加工过程的技术瓶颈，传热面积近似等于材料表面积，将材料利用率提升至近乎于100％，使得换热的面积显著提升。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明中气液双相换热器的增材制造方法，包括以下步骤：

S1：设置粉末床熔融金属打印机的参数，装入金属原料粉末，载入气液双相换热器的3D模型，所述3D模型中分别包括底板、盖体、芯体、密封壁、引流组件、折流组件的模型，其中芯体的模型中气体流道和液体流道均为3D螺旋形通道结构，气体流道和液体流道对应的3D螺旋形通道的延伸长度方向相互垂直，构成间壁式换热结构；

S2：打印出气液双相换热器的底板及折流组件；

S3：打印出密封壁和位于密封壁内部的芯体；

S4：打印出盖体及位于盖体内的引流组件。

进一步地，S1中粉末床熔融金属打印机为SLM打印机或SLS打印机。

进一步地，S1中的粉末床熔融金属打印机为SLM打印机，SLM打印机的参数设置为：扫描速度100mm/s-1000mm/s，激光功率设置为130W-400W，使得打印出材料的密度为所用金属密度的95％以上。

作为本发明的另一种实施方式，S1中的粉末床熔融金属打印机为SLS打印机， SLS打印机的参数设置为：扫描速度100mm/s-400mm/s，激光功率设置为 50W-150W，使得打印出材料的密度为所用金属密度的95％以上。

进一步地，S4步骤之后进行退火处理，以消除制品内的热应力；

退火处理之后进行刻蚀或抛光，得到气液双相换热器成品。

进一步地，S1中3D模型中由下自上包括3部分结构：位于底层的底板和折流组件，位于中层的芯体和密封壁，位于顶层的盖体和引流组件。

进一步地，盖体芯体的模型中气体流道和液体流道均为周期性3D螺旋形通道结构，所述的气体流道和液体流道每个周期对应的螺距相同。

进一步地，盖体芯体的模型中气体流道和液体流道所对应的曲面均由周期性 3D螺旋曲面函数生成；

所述的气体流道和液体流道在间壁式换热的构型上为，在平面上相互交错，在空间上相互错盘；

所述的气体流道的正交截面面积为液体流道正交截面面积的1～4倍。

本技术方案中通过thermosoid函数形结构来实现具体芯体结构的构建，即通过thermosoid函数实现的芯体内部构型是本发明中的一个例子。其中本“thermosoid 函数形结构“实施案例中的生成表达式为(图3与图4)，其中X_L,Y_L,Z_L依托可变参数b可以实现整个换热结构的整体调节，同时实现不同的单元体内气液体积比组合。

thermosoid函数曲面可由以下语句在Mathematica软件中生成：

B＝.；b＝1；

X_L＝x-b cos[(x/2)]²

Y_L＝y-b cos[(x/2)]²

Z_L＝z-b cos[(x/2)]²

P_L＝ContourPlot3D[cos[X_L]sin[Y_L]+cos[Y_L]sin[Z_L]+cos[Z_L]sin[X_L]＝0

{x，Pi，Pi}，{y，Pi，Pi}，{z，Pi，Pi}

进一步地，所述的金属原料粉末为铝合金粉末。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)可选用的制备材料范围广：由于本换热器可以根据气液特性进行选材，采用金属、非金属材料，适配外部的换热器壳体后，在不同的环境需求中均可适用。

2)制得的气液双相换热器密闭性能优异：由于本换热器采用增材制造工艺，实现了一体化制备，没有任何的焊点或者连接部件，结构体可整体打印，芯体与结构壁的连接密闭可以保证。

3)制得的气液双相换热器换热效率高：由于本换热器的结构采用了热熔体型特殊结构体，气液流道分别采用结构体自身的孔洞，换热发生在结构壁，传热面积近似等于材料表面积，将材料利用率提升至近乎于100％。同时孔状的结构特征在相同体积内，加长了气体液体流程，增加了单位体积内的换热面积。

4)制得的气液双相换热器结构优良：所采用的热熔体型结构体自身拥有良好的结构优势，表面张力近似于零的同时还能够达自制撑，降低对液体的阻力同时大幅度降低了打印难度。

附图说明

图1为本发明中热熔体型气液双相换热器的结构示意图；

图2为本发明中隔板的设置位置示意图；

图3为本发明实施例中芯体结构模型的立体结构示意图；

图4为本发明实施例中芯体结构模型的平面结构示意图；

图5为本发明中芯体结构的具体实物剖面图；

图6为本发明中芯体结构的换热原理说明图。

图中：1、芯体，2、密封壁，3、引流组件，4、折流组件，5、隔板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例中的气液双相换热器的增材制造方法，包括以下步骤：

S1：设置SLM金属打印机的参数，装入金属原料粉末，载入气液双相换热器的3D模型。

本实施例中采用的3D模型中分别包括底板、盖体芯体1、密封壁2、引流组件3、折流组件4的模型，参见图1与图2，其中芯体1的模型中气体流道和液体流道均为3D螺旋形通道结构，气体流道和液体流道对应的3D螺旋形通道的延伸长度方向相互垂直，构成间壁式换热结构，SLM打印机的参数设置为：打印尺寸精度±0.05mm，扫描速度100mm/s-1000mm/s，激光功率设置为130W-400W，使得打印出材料的密度为所用金属密度的95％以上。

3D模型中由下自上包括3部分结构：位于底层的底板和折流组件4，位于中层的芯体1和密封壁2，位于顶层的盖体和引流组件3。盖体芯体1的模型中气体流道和液体流道均为周期性3D螺旋形通道结构，所述的气体流道和液体流道每个周期对应的螺距相同。盖体芯体1的模型中气体流道和液体流道所对应的曲面均由周期性3D螺旋曲面函数生成。气体流道和液体流道在间壁式换热的构型上为，在平面上相互交错，在空间上相互错盘。气体流道的正交截面面积为液体流道正交截面面积的1～4倍。

S2：打印出气液双相换热器的底板及折流组件4；

S3：打印出密封壁2和位于密封壁2内部的芯体1；

S4：打印出盖体及位于盖体内的引流组件3；

S5：由下而上逐层打印完成后进行退火处理，以消除制品内的热应力。退火处理之后进行刻蚀或抛光，得到气液双相换热器成品。

本实施例中制得的实物结构剖面图参见图5，其中芯体结构本身依托正余弦函数组合的高度对称性以及周期性形成了如下特征：气相通道在行和列上以类似正弦函数的分布规律排布，形成独立的气相通道，参见图6；液体流程通道则在剩余空间内同样的以相同的排布规律排布。两者形成独立完整的行列组合，平面上呈现相邻的关系，空间上呈现相互错叠的关系同时，两者之间相互不会发生交替(参见图 4)。

具体实施时，本技术方案中通过thermosoid函数形结构来实现具体芯体结构的构建，即通过thermosoid函数实现的芯体内部构型是本发明中的一个例子。其中本“thermosoid函数形结构“实施案例中的生成表达式为(图3与图4)，其中X_L,Y_L,Z_L依托可变参数b可以实现整个换热结构的整体调节，同时实现不同的单元体内气液体积比组合。

thermosoid函数曲面可由以下语句在Mathematica软件中生成：

B＝.；b＝1；

X_L＝x-b cos[(x/2)]²

Y_L＝y-b cos[(x/2)]²

Z_L＝z-b cos[(x/2)]²

P_L＝ContourPlot3D[cos[X_L]sin[Y_L]+cos[Y_L]sin[Z_L]+cos[Z_L]sin[X_L]＝0

{x，Pi，Pi}，{y，Pi，Pi}，{z，Pi，Pi}

实施例中的函数公式形成的换热单元体(参见图3)，形成了两条相互独立的流程通道(即气体通道和液体通道)，经软件对于单元体两通道的体积测量，其气相通道体积：液体通路体积比＝3：1，结合thermosoid函数结构在空间内的密集分布，加之根据流体对流传热的表达式Q＝hΔT×S，(h是换热系数(W/K·m²)，Q是传热量，提高传热量的方法则是首要提高气-壁接触面积，这种气液比的分布形式有效提高了单位体积内的气-壁接触面积，大幅度提升了换热效率。

使用材料：本实施例使用铝合金材料，材料的选择要求：(拉伸强度>100MPa，导热系数>100W/(m²·℃))，密度<4.6g/cm³(不高于钛合金的水平)，可以采用3D打印的金属材料。由于本换热器可以根据气液特性进行选材，采用金属、非金属材料，适配外部的换热器壳体后，在不同的环境需求中均可适用。

结构参数具体考虑到工业三维打印的机器最小精度以及增材制造制作工艺而定，本实施案例中的打印件壁厚为0.3mm，其满足打印机器的最小精度的同时还考虑了整体重量的问题，所以将壁厚在水压的应力可控范围内，将壁厚降至了最低，根据测算，在边缘均视为固定约束的情况下，单元体能够承受的液体压力为10.5bar。

由于本换热器制备方法采用增材制造工艺，实现了一体化制备，没有任何的焊点或者连接部件，结构体可整体打印，芯体与结构壁的连接密闭可以保证。由于本换热器的结构采用了热熔体型特殊结构体，气液流道分别采用结构体自身的孔洞，换热发生在结构壁，传热面积近似等于材料表面积，将材料利用率提升至近乎于 100％。同时孔状的结构特征在相同体积内，加长了气体液体流程，增加了单位体积内的换热面积。所采用的热熔体型结构体自身拥有良好的结构优势，表面张力近似于零的同时还能够达自制撑，降低对液体的阻力同时大幅度降低了打印难度。

实施例2

区别于实施例1，本实施例S1中的粉末床熔融金属打印机为SLS打印机，SLS 打印机的参数设置为：扫描速度100mm/s-400mm/s，激光功率设置为50W-150W，使得打印出材料的密度为所用金属密度的95％以上。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气液双相换热器的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：设置粉末床熔融金属打印机的参数，装入金属原料粉末，载入气液双相换热器的3D模型，所述3D模型中分别包括底板、盖体、芯体(1)、密封壁(2)、引流组件(3)、折流组件(4)的模型，其中芯体(1)的模型中气体流道和液体流道均为3D螺旋形通道结构，气体流道和液体流道对应的3D螺旋形通道的延伸长度方向相互垂直，构成间壁式换热结构；

S2：打印出气液双相换热器的底板及折流组件(4)；

S3：打印出密封壁(2)和位于密封壁(2)内部的芯体(1)；

S4：打印出盖体及位于盖体内的引流组件(3)。

2.根据权利要求1所述的一种气液双相换热器的增材制造方法，其特征在于，S1中粉末床熔融金属打印机为SLM打印机或SLS打印机。

3.根据权利要求2所述的一种气液双相换热器的增材制造方法，其特征在于，S1中的粉末床熔融金属打印机为SLM打印机，SLM打印机的参数设置为：扫描速度100mm/s-1000mm/s，激光功率设置为130W-400W，使得打印出材料的密度为所用金属密度的95％以上。

4.根据权利要求2所述的一种气液双相换热器的增材制造方法，其特征在于，S1中的粉末床熔融金属打印机为SLS打印机，SLS打印机的参数设置为：扫描速度100mm/s-400mm/s，激光功率设置为50W-150W，使得打印出材料的密度为所用金属密度的95％以上。

5.根据权利要求1所述的一种气液双相换热器的增材制造方法，其特征在于，S4步骤之后进行退火处理，以消除制品内的热应力。

6.根据权利要求5所述的一种气液双相换热器的增材制造方法，其特征在于，退火处理之后进行刻蚀或抛光，得到气液双相换热器成品。

7.根据权利要求1所述的一种气液双相换热器的增材制造方法，其特征在于，S1中3D模型中由下自上包括3部分结构：位于底层的底板和折流组件(4)，位于中层的芯体(1)和密封壁(2)，位于顶层的盖体和引流组件(3)。

8.根据权利要求1所述的一种气液双相换热器的增材制造方法，其特征在于，盖体芯体(1)的模型中气体流道和液体流道均为周期性3D螺旋形通道结构，所述的气体流道和液体流道每个周期对应的螺距相同。

9.根据权利要求8所述的一种气液双相换热器的增材制造方法，其特征在于，盖体芯体(1)的模型中气体流道和液体流道所对应的曲面均由周期性3D螺旋曲面函数生成；

所述的气体流道和液体流道在间壁式换热的构型上为，在平面上相互交错，在空间上相互错盘；

所述的气体流道的正交截面面积为液体流道正交截面面积的1～4倍。

10.根据权利要求1所述的一种气液双相换热器的增材制造方法，其特征在于，所述的金属原料粉末为铝合金粉末。

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