管中管换热器的计算机断层扫描(CT) X射线图像。颜色表示外管中的热流体(红色)还是内管中的冷流体(蓝色)。学分:现代月球，戴维斯·麦格雷戈，内纳德·米利科维奇和威廉·金，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校展示下一代能源技术，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员正在使用拓扑优化和金属3D打印来设计超紧凑、高功率的热交换器。热交换器用于大多数主要行业——包括能源、水、制造、运输、建筑、电子、化工、石化、农业和航空航天——将热能从一种介质传递到另一种介质。
几十年来，热交换器的设计一直保持相对不变。3D打印的最新进展使得三维交换器设计的生产成为可能，而以前认为这是不可能的。这些新的和创新的设计工作效率显著提高，但需要特定的软件工具和设计方法来制造高性能器件。
认识到需要解锁新的高性能热交换器，格兰杰工程学院的研究人员开发了软件工具，支持新的3D热交换器设计。
格兰杰工程学院机械科学与工程教授、共同研究负责人威廉·金说:“我们开发了形状优化软件来设计高性能热交换器。“该软件允许我们识别与传统设计明显不同且更好的3D设计。”
该团队首先研究了一种被称为管中管热交换器的交换器——一根管子嵌套在另一根管子中。管中管换热器常用于饮用水和建筑能源系统。利用形状优化软件和添加剂制造的结合，研究人员设计了管子内部的散热片(只有使用金属3D打印才有可能)。
“我们设计、制造并测试了一种优化的管中管换热器，”机械科学与工程副教授、共同研究负责人内纳德·米利科维奇说。“我们优化的热交换器的体积功率密度比目前最先进的商用管中管装置高约20倍。”
如今，全球范围内有数十亿台热交换器投入使用，而且我们对降低化石燃料消耗的需求也越来越重视，因此紧凑高效的热交换器的需求不断增加，尤其是在热交换器的尺寸和质量对性能、范围和成本有重大影响的行业。
由Hyunkyu Moon、Davis McGregor、Nenad米利科维奇和William P. King撰写的文章“通过遗传算法设计和添加剂制造开发超功率密度换热器”发表在Joule杂志上。
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