溫室氣體克星！集成3D打印熱交換器的吸收塔在減少碳排放顯神威

來源:江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：來自美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)的研究人員為大家展示了3D打印的鋁合金集成熱交換器，在吸收溫室氣體方面發(fā)揮出巨大的作用。



美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員設(shè)計(jì)和采用增材制造的方法制造了 史無前例的一種鋁合金裝置（鋁合金牌號(hào)沒有發(fā)布），利用該裝置來顯著的吸收從化石能源工廠或者其他工業(yè)中排放出來的二氧化碳?xì)怏w。

為了解決全球面臨的造成溫室效應(yīng)氣體（如二氧化碳（CO2））的排放問題，促使人們不斷地研究低成本、國(guó)內(nèi)化石燃料資源地同時(shí)，以尋求減輕潛在的氣候影響。

美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的器件部門致力于采用新的解決辦法來解決碳排放的吸收問題：典型的工藝提升以提升整個(gè)工藝的熱效率。通過增材制造方案，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)多功能的打印器件，可以通過移除額外的熱量而顯著的提升工藝效率，與此同時(shí)還可以降低成本。

3D打印的鋁合金冷卻通道

吸收問題，是最常用的和最經(jīng)濟(jì)的用來解決吸收二氧化碳過程中面臨的問題的最佳辦法，在與溶劑相接觸的大煙囪中放置著一個(gè)煙氣流，行業(yè)中稱之為MEA，或者其他的胺溶液，來與氣體相接觸反應(yīng)來解決。

該研究項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)測(cè)試了這一新穎的圓形裝置 ，即整合含質(zhì)量交換接觸器的熱交換器，內(nèi)部有一個(gè)1米高，8英寸寬的吸收柱，該吸收柱由7個(gè)商業(yè)不銹鋼的包裝元件所組成。這一3D打印的強(qiáng)化裝置安裝在該柱子一半高度以上且在包裝原件之間。

3D打印的強(qiáng)化裝置 顯著增強(qiáng)CO2的捕獲吸收效率

圖解：照片中為打印的吸收裝置實(shí)物圖以及項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)中的研究人員：Costas Tsouris, Xin Sun and Eduardo Miramontes

增材制造使得將熱交換器打印在該柱子之內(nèi)成為可能，同時(shí)成為包裝原件的一部分，而不用改變?cè)撝�子的形狀。于是最大程度的增加（大）氣體與液體流 之間的表面接觸面積。

我們之所以稱這一裝置為強(qiáng)化裝置，是因?yàn)樵撗b置可以通過原位冷卻來提高質(zhì)量的轉(zhuǎn)換效率（二氧化碳（CO2）從氣體狀態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)）�？刂莆�收的溫度是捕獲二氧化碳時(shí)的關(guān)鍵。

集成3D打印熱交換器的吸收塔 在安裝調(diào)試中

在二氧化碳的捕獲吸收效率和取決于氣體流速的捕獲一貫性兩個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面，均得到顯著的提高。這一研究同時(shí)表明最高的捕獲吸收二氧化碳的濃度可以達(dá)到20%，同現(xiàn)有的吸收裝置相比，其捕獲吸收效率提高了2.2%到15.5%。

這一成功打印的強(qiáng)化裝置所表現(xiàn)出來的在將來提高二氧化碳吸收效率的無與倫比的優(yōu)勢(shì)和顯示出這一設(shè)計(jì)概念的正確。

未來的研究將集中在優(yōu)化操作狀態(tài)和器件的尺寸上，以便在碳吸收的工藝上能夠進(jìn)一步的得到提高。

這一工作得到了DOE化石能源研究室的資助。

熱交換功能集成是趨勢(shì)
傳統(tǒng)的熱交換裝置，由于受到制造工藝的限制，傳統(tǒng)的吸收塔填充的填料外部的幾何形狀往往比較復(fù)雜，而且往往很難集成熱交換功能。3D打印的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以打印復(fù)雜的形狀不受限制，而且還可以將不同功能、不同材料打印集成在一起。3D打印技術(shù)可以在不增加裝置的體積和外部幾何形狀復(fù)雜性的前提下進(jìn)行功能和形狀的集成，即可以實(shí)現(xiàn)在填充元件中集成熱交換功能和質(zhì)量交換器。

有了3D 打印這一利器，熱交換器的設(shè)計(jì)和制造就可以煥然一新，突破原有的設(shè)計(jì)和制造的限制，將熱交換器可以隱藏在其他設(shè)備或零件中。冷卻介質(zhì)的冷卻通道可以不用在單獨(dú)設(shè)置，將其與零部件議題成型，還可以通過面向3D打印的設(shè)計(jì)，在一定的體積內(nèi)打印出更大的表面積來。　

3D打印的ConfluxCore熱交換器。來源：Conflux Technology

在商業(yè)化的3D打印熱交換器應(yīng)用中，來自澳大利亞的Conflux Technology高效、緊湊的熱交換器設(shè)計(jì)已獲專利，其出眾性能源于只有借助增材制造 (AM)工藝才能實(shí)現(xiàn)的幾何結(jié)構(gòu)。高表面密度結(jié)合優(yōu)化的流體通道和3D表面特征，使熱交換器具備熱交換效率高、重量輕、壓降低的出色特性。

安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)上的3D打印ConfluxCore熱交換器。來源：Conflux Technology

3D 打印Conflux Core熱交換器的橫截面。來源：EOS

打印的部件指是由HiETA Technologies與Delta Motorsport合作設(shè)計(jì)和制造、用于微型燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)的并流換熱器，被視為Innovate UK選擇性激光制造輪機(jī)（SLaMMIT）項(xiàng)目的一部分，是一個(gè)成功運(yùn)用增材制造（AM）典型案例。

微型渦輪軸増程發(fā)動(dòng)機(jī)（MiTRE）（左），和長(zhǎng)方形熱交換器SLAMMiT同流換熱器橫截面（右）

HiETA Technologies成立于2011年，致力于在兩個(gè)主要領(lǐng)域?qū)嵤┰霾闹圃旒夹g(shù)：熱管理和輕量化。HiETA借助一系列雷尼紹設(shè)備來實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，并在AM250之外新加入了RenAM 500M的設(shè)備。雷尼紹與HiETA之間的合作關(guān)系遠(yuǎn)非普通甲方乙方的關(guān)系；雷尼紹曾協(xié)助HiETA開發(fā)其產(chǎn)品流程和數(shù)據(jù)流，去年通過增加至24.9％的股權(quán)投資將對(duì)HiETA來深化其合作關(guān)系。

Renishaw 與HiETA 開發(fā)金屬3D打印散熱器

SLAMMiT同流換熱器的截面

微型渦輪增程器項(xiàng)目MiTRE中的方形換熱器

估計(jì)，到 2040年，全球航天產(chǎn)業(yè)的收入將從目前的 3,500億美元發(fā)展到超過1萬億美元的市場(chǎng)規(guī)模。

關(guān)于3D打印對(duì)火箭制造行業(yè)的革新作用， SpaceX首席設(shè)計(jì)師兼首席執(zhí)行官馬斯克有著精辟的觀點(diǎn)：通過3D打印，可以以傳統(tǒng)制造方法的一小部分成本和時(shí)間就能制造出堅(jiān)固且高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)零件。

近日，中國(guó)的民營(yíng)航天企業(yè)深藍(lán)航天液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)再次進(jìn)行了推力室長(zhǎng)程試車，取得圓滿成功。在推力性能方面，深藍(lán)航天對(duì)主要功能部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，大量采用3D打印工藝，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室效率從95%到99%的技術(shù)跨越，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。推力室主體結(jié)構(gòu)全部采用3D打印制造。

試車發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器殼體和推力室身部?jī)蓚�(gè)零件的金屬3D打印工作 （深藍(lán)航天）

安裝有HiETA MiTRE同流換熱器的Delta Motorsport微型渦輪

文章來源：ORNL, U.S. Dept. of Energy、3D科學(xué)谷、 Renishaw網(wǎng)站、深藍(lán)航天