溫室氣體剋星!集成3D列印熱交換器的吸收塔在減少碳排放顯神威

2020-12-23 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：來自美國橡樹嶺國家實驗的研究人員為大家展示了3D列印的鋁合金集成熱交換器，在吸收溫室氣體方面發揮出巨大的作用。

3D列印的鋁合金冷卻通道

美國能源部橡樹嶺國家實驗室的研究人員設計和採用增材製造的方法製造了 史無前例的一種鋁合金裝置（鋁合金牌號沒有發布），利用該裝置來顯著的吸收從化石能源工廠或者其他工業中排放出來的二氧化碳氣體。

在強化裝置中集成植入3D列印的冷卻通道，由於正向反應減少柱狀溫度

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

美國能源部橡樹嶺國家實驗室的器件部門致力於採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工藝的熱效率。通過增材製造方案，研究人員設計了一個多功能的列印器件，可以通過移除額外的熱量而顯著的提升工藝效率，與此同時還可以降低成本。

吸收問題，是最常用的和最經濟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煙氣流，行業中稱之為MEA，或者其他的胺溶液，來與氣體相接觸反應來解決。

該研究項目團隊測試了這一新穎的圓形裝置 ，即整合含質量交換接觸器的熱交換器，內部有一個1米高，8英寸寬的吸收柱，該吸收柱由7個商業不鏽鋼的包裝元件所組成。這一3D列印的強化裝置安裝在該柱子一半高度以上且在包裝原件之間。

3D列印的強化裝置 顯著增強CO2的捕獲吸收效率

圖解：照片中為列印的吸收裝置實物圖以及項目研究團隊中的研究人員：Costas Tsouris, Xin Sun and Eduardo Miramontes

增材製造使得將熱交換器列印在該柱子之內成為可能，同時成為包裝原件的一部分，而不用改變該柱子的形狀。於是最大程度的增加（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化裝置，是因為該裝置可以通過原位冷卻來提高質量的轉換效率（二氧化碳（CO2）從氣體狀態轉變成液態）。控制吸收的溫度是捕獲二氧化碳時的關鍵。

集成3D列印熱交換器的吸收塔 在安裝調試中

在二氧化碳的捕獲吸收效率和取決於氣體流速的捕獲一貫性兩個方面的實驗結果表面，均得到顯著的提高。這一研究同時表明最高的捕獲吸收二氧化碳的濃度可以達到20%，同現有的吸收裝置相比，其捕獲吸收效率提高了2.2%到15.5%。

這一成功列印的強化裝置所表現出來的在將來提高二氧化碳吸收效率的無與倫比的優勢和顯示出這一設計概念的正確。

未來的研究將集中在優化操作狀態和器件的尺寸上，以便在碳吸收的工藝上能夠進一步的得到提高。

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

傳統的熱交換裝置，由於受到製造工藝的限制，傳統的吸收塔填充的填料外部的幾何形狀往往比較複雜，而且往往很難集成熱交換功能。3D列印的優點，不僅可以列印複雜的形狀不受限制，而且還可以將不同功能、不同材料列印集成在一起。3D列印技術可以在不增加裝置的體積和外部幾何形狀複雜性的前提下進行功能和形狀的集成，即可以實現在填充元件中集成熱交換功能和質量交換器。

有了3D 列印這一利器，熱交換器的設計和製造就可以煥然一新，突破原有的設計和製造的限制，將熱交換器可以隱藏在其他設備或零件中。冷卻介質的冷卻通道可以不用在單獨設置，將其與零部件議題成型，還可以通過面向3D列印的設計，在一定的體積內列印出更大的表面積來。　

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

在商業化的3D列印熱交換器應用中，來自澳大利亞的Conflux Technology高效、緊湊的熱交換器設計已獲專利，其出眾性能源於只有藉助增材製造 (AM)工藝才能實現的幾何結構。高表面密度結合優化的流體通道和3D表面特徵，使熱交換器具備熱交換效率高、重量輕、壓降低的出色特性。

安裝於發動機上的3D列印ConfluxCore熱交換器。來源：Conflux Technology

3D 列印Conflux Core熱交換器的橫截面。來源：EOS

列印的部件指是由HiETA Technologies與Delta Motorsport合作設計和製造、用於微型燃氣渦輪系統的並流換熱器，被視為Innovate UK選擇性雷射製造輪機（SLaMMIT）項目的一部分，是一個成功運用增材製造（AM）典型案例。

微型渦輪軸増程發動機（MiTRE）（左），和長方形熱交換器SLAMMiT同流換熱器橫截面（右）

HiETA Technologies成立於2011年，致力於在兩個主要領域實施增材製造技術：熱管理和輕量化。HiETA藉助一系列雷尼紹設備來實現此目標，並在AM250之外新加入了RenAM 500M的設備。雷尼紹與HiETA之間的合作關係遠非普通甲方乙方的關係；雷尼紹曾協助HiETA開發其產品流程和數據流，去年通過增加至24.9％的股權投資將對HiETA來深化其合作關係。

Renishaw 與HiETA 開發金屬3D列印散熱器

SLAMMiT同流換熱器的截面

微型渦輪增程器項目MiTRE中的方形換熱器

估計，到 2040年，全球航天產業的收入將從目前的 3,500億美元發展到超過1萬億美元的市場規模。

關於3D列印對火箭製造行業的革新作用， SpaceX首席設計師兼執行長馬斯克有著精闢的觀點：通過3D列印，可以以傳統製造方法的一小部分成本和時間就能製造出堅固且高性能的發動機零件。

近日，中國的民營航天企業深藍航天液氧煤油發動機再次進行了推力室長程試車，取得圓滿成功。在推力性能方面，深藍航天對主要功能部件進行優化設計，大量採用3D列印工藝，實現了國內液氧煤油火箭發動機推力室效率從95%到99%的技術跨越，達到了國際先進水平。推力室主體結構全部採用3D列印製造。

試車發動機噴注器殼體和推力室身部兩個零件的金屬3D列印工作 （深藍航天）

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科學谷、 Renishaw網站、深藍航天

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