Tradicionālie silīcija karbīda siltummaiņi parasti tiek montēti no keramikas blokiem, caurulēm un galvām, kas savienotas kopā ar specializētiem cementiem vai blīvēm. Katra savienotā šuve rada iespējamu noplūdes ceļu, termiskā sprieguma koncentrāciju vai apkopes problēmas. Papildu ražošana sāk būtiski mainīt šo arhitektūru. Tā vietā, lai gatavā apmainītājā saliktu vairākus komponentus, uzlabotas keramikas drukas tehnoloģijas tagad var izveidot visu silīcija karbīda serdi kā vienu monolītu struktūru ar iekšējo ģeometriju, kuru nav iespējams izgatavot, izmantojot parasto apstrādi.
Rašanās3D drukāts silīcija karbīda siltummaiņa kodolsir būtiskas izmaiņas korozīvas un augstas temperatūras-termiskās sistēmas nākotnē.
Kāpēc parastajiem silīcija karbīda siltummaiņiem ir konstrukcijas ierobežojumi
Silīcija karbīdam jau ir svarīga loma ķīmiskajā apstrādē, jo:
Izcila izturība pret koroziju
Augsta siltumvadītspēja
Izturība pret termisko šoku
Stabilitāte paaugstinātā temperatūrā
Tomēr tradicionālās ražošanas metodes uzliek ģeometriskus ierobežojumus.
Parastie SiC apmainītāji parasti tiek izgatavoti šādi:
Apvalks{0}}un-cauruļu komplekti
Urbtie bloku apmainītāji
Līmētas plākšņu konstrukcijas
Cementēti moduļu mezgli
Šīs metodes ierobežo iekšējo plūsmas ceļu sarežģītību un ievieš saskarnes, kurās galu galā var rasties noplūde vai termiskais nogurums.
Ļoti agresīvā ķīmiskajā apstrādē šuvju likvidēšana var ievērojami uzlabot{0}}ilgtermiņa uzticamību.
Kā 3D drukāšana maina silīcija karbīda ražošanu
Piedevu ražošana ļauj silīcija karbīda struktūras veidot slāni pa slānim, nevis apstrādāt no cietiem keramikas blokiem.
Printeris ievelk siltummaini silīcija smiltīs, pakāpeniski izveidojot sarežģītus iekšējos plūsmas kanālus un režģu tīklus, kas vairāk līdzinās bioloģiskām struktūrām nekā parastie rūpnieciskie cauruļvadi.
"Zaļās" keramikas konstrukcijas veidošana
Process parasti sākas ar drukājamu izejvielu, kas sastāv no:
Silīcija karbīda pulveris
Oglekļa{0}}saturošas saistvielas
Organiskās piedevas
Plūsmas{0}}kontroles aģenti
Šis materiāls tiek izspiests vai uzklāts caur smalku sprauslu kontrolētā veidā.
Slāni pēc slāņa printeris izveido porainu "zaļu" keramikas struktūru, kas satur visu siltummaiņa ģeometriju, tostarp:
Izliekti iekšējie kanāli
Plānas režģu sienas
Integrēti kolektori
Turbulences{0}}veicināšanas funkcijas
Kompakto plūsmu sadales tīkli
Atšķirībā no tradicionālās keramikas apstrādes, ģeometriju neierobežo piekļuve griezējinstrumentam.
Reakcijas{0}}savienošanas process
Pēc drukāšanas zaļā struktūra tiek pakļauta augstas{0}}temperatūras reakcijas-savienojuma darbībai.
Silīcija infiltrācija
Apdrukāto komponentu ievieto krāsnī un infiltrē ar izkausētu silīciju.
Porainās struktūras iekšpusē šķidrais silīcijs ķīmiski reaģē ar oglekli -saturošu saistvielu atbilstoši reakcijai:
Si+C→SiCSi + C \\labā bultiņa SiCSi+C→SiC
Šī reakcija veido papildu silīcija karbīdu drukātajā režģī, savienojot struktūru blīvā monolītā keramikā.
Iegūtā materiāla struktūra
Galīgā reakcijas -savienotā silīcija karbīda sastāvdaļa satur:
Nepārtraukta SiC keramikas karkass
Atlikušais brīvais silīcijs
Blīvi savienotas saskarnes
Integrēti iekšējie kanāli
Parasti gatavajā materiālā paliek aptuveni 5–15% brīvā silīcija.
Šis atlikušais silīcijs var ierobežot maksimālo darba temperatūru noteiktās vidēs līdz aptuveni:
Tmax≈1380∘CT_{max} \\apmēram 1380^\\circ\\mathrm{C}Tmax≈1380∘C
Lai gan šim ierobežojumam ir nozīme dažos kosmosa vai sadedzināšanas lietojumos, tas joprojām ir daudz augstāks par temperatūru, kas sastopama lielākajā daļā ķīmiskās apstrādes sistēmu.
Monolītā siltummaiņa serdes priekšrocības
Svarīgākā priekšrocība a3D drukāts silīcija karbīda siltummaiņa kodolsir savienoto savienojumu likvidēšana.
Samazināti noplūdes ceļi
Tā kā siltummaiņa kodols tiek ražots kā viena nepārtraukta keramikas struktūra:
Lodētās šuves tiek likvidētas
Cementa šuves pazūd
Blīvju saskarnes var samazināt līdz minimumam
Termiskās izplešanās neatbilstības zonas ir samazinātas
Tas ir īpaši vērtīgi korozīvās skābes apkalpošanā, kur noplūdes novēršana ir ļoti svarīga.
Īpaši augsts virsmas laukums
Piedevu ražošana pieļauj arī nepieredzētu iekšējo sarežģītību.
Inženieri var izstrādāt:
Žiroīda režģu struktūras
Mikro{0}}kanālu tīkli
Fraktāļu plūsmas ceļi
Vortex{0}}izraisošas bedrītes
Vairāku -mērogu turbulences funkcijas
Šīs ģeometrijas ievērojami palielina virsmas laukumu uz tilpuma vienību.
Rezultāts ir mazāks siltummainis, kas spēj pārnest lielu siltuma daudzumu kompaktā platībā.
Uzlabota siltuma pārneses veiktspēja
Interesanti, ka nedaudz raupja, kā{0}}apdrukāta keramiskā virsma var uzlabot termisko veiktspēju.
Atšķirībā no pulētajām mehāniski apstrādātajām virsmām mikroskopiskais raupjums veicina:
Turbulenti robežslāņi
Uzlabota šķidruma sajaukšana
Lielāki konvekcijas siltuma pārneses koeficienti
Šis efekts var uzlabot siltummaiņa efektivitāti bez papildu apstrādes darbībām.
Jaunie rūpnieciskie lietojumi
Lai gan ķīmisko siltummaiņu komercializācijas stadijā vēl ir sākumposmā, ar piedevām{0}}ražotās SiC sastāvdaļas jau tiek izmantotas citās prasīgās nozarēs.
Kosmosa un enerģijas sistēmas
Silīcija karbīda drukāšana ar reakciju-savienojumu jau ir guvusi panākumus:
Raķešu sprauslas
Turbīnu sastāvdaļas
Siltuma ekranēšanas sistēmas
Augstas{0}}temperatūras sadegšanas aparatūra
Šie pielietojumi gūst labumu no materiāla mazā svara un termiskās stabilitātes.
Ķīmisko procesu piloti
Termiskās apstrādes nozarēs izmēģinājuma programmas tagad pēta 3D drukāto silīcija karbīda serdeņu izmantošanu:
Augstspiediena{0}}skābes dzesētāji
Mikro-reaktoru sistēmas
Kompakti ķīmiskie iztvaicētāji
Pusvadītāju apstrādes iekārtas
Kodīgas gāzes siltuma rekuperācijas iekārtas
Mikro-ķīmiskās rūpnīcas ir īpaši pievilcīgas, jo kompaktais siltummaiņa izmērs un augsta efektivitāte var kompensēt salīdzinoši augstās drukāšanas izmaksas.
Inženiertehniskās problēmas joprojām tiek atrisinātas
Neskatoties uz solījumu, tehnoloģija joprojām saskaras ar vairākiem šķēršļiem pirms plašas rūpnieciskās ieviešanas.
Ražošanas izmaksas
Keramikas piedevu ražošana joprojām ir dārga salīdzinājumā ar tradicionālajām siltummaiņu ražošanas metodēm.
Izmaksas rodas no:
Precīzas drukas sistēmas
Kontrolēta saķepināšanas vide
Silīcija infiltrācijas apstrāde
Ilgi ražošanas cikli
Dizaina apstiprināšana
Sarežģītu drukātu ģeometriju prognozēšanai nepieciešami uzlaboti modelēšanas rīki:
Termiskais stress
Spiediena kritums
Plūsmas sadalījums
Noguruma uzvedība
Tradicionālie siltummaiņa projektēšanas standarti netika izstrādāti ļoti sarežģītām režģu konstrukcijām.
Pārbaudes sarežģītība
Iekšējo kanālu pārbaude monolītās keramikas režģos rada papildu problēmas.
Uzlabotas metodes, piemēram:
Rentgena CT skenēšana
Ultraskaņas pārbaude
Digitālā dvīņu validācija
var kļūt arvien nozīmīgāki, jo drukātie keramikas apmainītāji nonāk rūpniecībā.
Keramikas siltuma pārneses dizaina nākotne
The3D drukāts silīcija karbīda siltummaiņa kodolskoncepcija pārveido cerības uz to, kāds siltummainis var fiziski kļūt.
Taisnu cauruļu un plakanu plākšņu vietā nākotnes siltummaiņi var arvien vairāk līdzināties optimizētām bioloģiskajām formām, kas radītas, izmantojot skaitļošanas šķidruma dinamiku un piedevas ražošanas algoritmus.
Iespējamās nākotnes attīstības tendences ietver:
Topoloģijas{0}}optimizētas plūsmas struktūras
Integrēti sensori keramikas sienās
Funkcionāli šķiroti keramikas materiāli
Vairāki-šķidruma drukāti kolektori
Paš-atbalstoši režģa apmainītāji
Tā kā drukāšanas izšķirtspēja un keramikas apstrāde turpina uzlaboties, var parādīties pilnīgi jaunas termoiekārtu kategorijas.
Secinājums
3D drukātā reakcijas -savienota silīcija karbīda tehnoloģija ir liels progress siltummaiņa dizaina brīvībā. Izgatavojot bezšuvju monolītas keramikas serdes ar ļoti sarežģītu iekšējo ģeometriju, piedevu ražošana novērš daudzus noplūdes ceļus un montāžas ierobežojumus, kas saistīti ar tradicionālajiem SiC apmainītājiem.
Iegūtais3D drukāts silīcija karbīda siltummaiņa kodolsvar nodrošināt ārkārtīgi lielu virsmas laukumu, kompaktus izmērus, uzlabotu turbulenci un izcilu izturību pret koroziju vienā integrētā struktūrā. Lai gan tehnoloģija joprojām atrodas ķīmiskās apstrādes lietojumu komercializācijas sākumposmā, tās potenciāls kodīgu, augstas temperatūras un augsta spiediena pakalpojumu jomā jau piesaista ievērojamu rūpniecisko uzmanību.
Kodīgo siltuma pārneses iekārtu nākotne arvien vairāk tiek veidota pa vienam keramikas slānim progresīvās ražošanas sistēmās.
