3D打印热交换器是如何设计和制造的？

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。

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。

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。

“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。

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。

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。

FDM高导热聚合物打印的散热器