温室气体克星!集成3D打印热交换器的吸收塔在减少碳排放显神威

3D打印快讯
2020
09/09
12:12
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来源:江苏激光联盟

导读:来自美国橡树岭国家实验的研究人员为大家展示了3D打印的铝合金集成热交换器,在吸收温室气体方面发挥出巨大的作用。



美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员设计和采用增材制造的方法制造了 史无前例的一种铝合金装置(铝合金牌号没有发布),利用该装置来显著的吸收从化石能源工厂或者其他工业中排放出来的二氧化碳气体。

为了解决全球面临的造成温室效应气体(如二氧化碳(CO2))的排放问题,促使人们不断地研究低成本、国内化石燃料资源地同时,以寻求减轻潜在的气候影响。

美国能源部橡树岭国家实验室的器件部门致力于采用新的解决办法来解决碳排放的吸收问题:典型的工艺提升以提升整个工艺的热效率。通过增材制造方案,研究人员设计了一个多功能的打印器件,可以通过移除额外的热量而显著的提升工艺效率,与此同时还可以降低成本。
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3D打印的铝合金冷却通道
吸收问题,是最常用的和最经济的用来解决吸收二氧化碳过程中面临的问题的最佳办法,在与溶剂相接触的大烟囱中放置着一个烟气流,行业中称之为MEA,或者其他的胺溶液,来与气体相接触反应来解决。

该研究项目团队测试了这一新颖的圆形装置 ,即整合含质量交换接触器的热交换器,内部有一个1米高,8英寸宽的吸收柱,该吸收柱由7个商业不锈钢的包装元件所组成。这一3D打印的强化装置安装在该柱子一半高度以上且在包装原件之间。

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3D打印的强化装置 显著增强CO2的捕获吸收效率

图解:照片中为打印的吸收装置实物图以及项目研究团队中的研究人员:Costas Tsouris, Xin Sun and Eduardo Miramontes

增材制造使得将热交换器打印在该柱子之内成为可能,同时成为包装原件的一部分,而不用改变该柱子的形状。于是最大程度的增加(大)气体与液体流 之间的表面接触面积。

我们之所以称这一装置为强化装置,是因为该装置可以通过原位冷却来提高质量的转换效率(二氧化碳(CO2)从气体状态转变成液态)。控制吸收的温度是捕获二氧化碳时的关键。

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集成3D打印热交换器的吸收塔 在安装调试中

在二氧化碳的捕获吸收效率和取决于气体流速的捕获一贯性两个方面的实验结果表面,均得到显著的提高。这一研究同时表明最高的捕获吸收二氧化碳的浓度可以达到20%,同现有的吸收装置相比,其捕获吸收效率提高了2.2%到15.5%。

这一成功打印的强化装置所表现出来的在将来提高二氧化碳吸收效率的无与伦比的优势和显示出这一设计概念的正确。

未来的研究将集中在优化操作状态和器件的尺寸上,以便在碳吸收的工艺上能够进一步的得到提高。

这一工作得到了DOE化石能源研究室的资助。

热交换功能集成是趋势
传统的热交换装置,由于受到制造工艺的限制,传统的吸收塔填充的填料外部的几何形状往往比较复杂,而且往往很难集成热交换功能。3D打印的优点,不仅可以打印复杂的形状不受限制,而且还可以将不同功能、不同材料打印集成在一起。3D打印技术可以在不增加装置的体积和外部几何形状复杂性的前提下进行功能和形状的集成,即可以实现在填充元件中集成热交换功能和质量交换器。

有了3D 打印这一利器,热交换器的设计和制造就可以焕然一新,突破原有的设计和制造的限制,将热交换器可以隐藏在其他设备或零件中。冷却介质的冷却通道可以不用在单独设置,将其与零部件议题成型,还可以通过面向3D打印的设计,在一定的体积内打印出更大的表面积来。 

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3D打印的ConfluxCore热交换器。来源:Conflux Technology

在商业化的3D打印热交换器应用中,来自澳大利亚的Conflux Technology高效、紧凑的热交换器设计已获专利,其出众性能源于只有借助增材制造 (AM)工艺才能实现的几何结构。高表面密度结合优化的流体通道和3D表面特征,使热交换器具备热交换效率高、重量轻、压降低的出色特性。

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安装于发动机上的3D打印ConfluxCore热交换器。来源:Conflux Technology

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3D 打印Conflux Core热交换器的横截面。来源:EOS

打印的部件指是由HiETA Technologies与Delta Motorsport合作设计和制造、用于微型燃气涡轮系统的并流换热器,被视为Innovate UK选择性激光制造轮机(SLaMMIT)项目的一部分,是一个成功运用增材制造(AM)典型案例。

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微型涡轮轴増程发动机(MiTRE)(左),和长方形热交换器SLAMMiT同流换热器横截面(右)

HiETA Technologies成立于2011年,致力于在两个主要领域实施增材制造技术:热管理和轻量化。HiETA借助一系列雷尼绍设备来实现此目标,并在AM250之外新加入了RenAM 500M的设备。雷尼绍与HiETA之间的合作关系远非普通甲方乙方的关系;雷尼绍曾协助HiETA开发其产品流程和数据流,去年通过增加至24.9%的股权投资将对HiETA来深化其合作关系。

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Renishaw 与HiETA 开发金属3D打印散热器

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SLAMMiT同流换热器的截面

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微型涡轮增程器项目MiTRE中的方形换热器

估计,到 2040年,全球航天产业的收入将从目前的 3,500亿美元发展到超过1万亿美元的市场规模。

关于3D打印对火箭制造行业的革新作用, SpaceX首席设计师兼首席执行官马斯克有着精辟的观点:通过3D打印,可以以传统制造方法的一小部分成本和时间就能制造出坚固且高性能的发动机零件。

近日,中国的民营航天企业深蓝航天液氧煤油发动机再次进行了推力室长程试车,取得圆满成功。在推力性能方面,深蓝航天对主要功能部件进行优化设计,大量采用3D打印工艺,实现了国内液氧煤油火箭发动机推力室效率从95%到99%的技术跨越,达到了国际先进水平。推力室主体结构全部采用3D打印制造。

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试车发动机喷注器壳体和推力室身部两个零件的金属3D打印工作 (深蓝航天)

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安装有HiETA MiTRE同流换热器的Delta Motorsport微型涡轮

文章来源:ORNL, U.S. Dept. of Energy、3D科学谷、 Renishaw网站、深蓝航天

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