可增材制造紧凑型板式换热器的最优尺寸与材料选择

增材制造（AM）的进展为通过利用灵活的几何形状来提高能源和材料效率，设计紧凑型换热器（cHEX）提供了新的机会。然而，众所周知，在对流式 cHEX 中减小尺寸会因通过固体材料的轴向导热而降低换热效率，该效应严重取决于材料的热导率和壁厚度。理解基本换热机制与制造约束之间的相互作用，对设计充分利用 AM 制造灵活性的下一代紧凑型热力学系统至关重要。本研究探讨了材料选择和 AM 薄壁限制如何影响紧凑型板式换热器可实现的最大功率密度。在固定压降和换热效率的条件下，优化框架评估了包括塑料、奥氏体不锈钢、Al2O3、AlN、铝和铜在内的六种材料，并考虑了 AM 特定的厚度约束以及针对防堵风险的最小板间距。结果显示，铜虽然热导率最高，但始终实现最低的功率密度；而塑料在大多数优化情景下实现最高的功率密度。在无制造或防堵约束的情况下，塑料的性能优于基准钢设计近乎三个数量级。受均匀板厚或防堵约束影响，性能差距缩小，使塑料和奥氏体不锈钢相当。当施加材料特定厚度限制后，塑料再次在紧凑性方面领先，由于其在薄壁制造上的优势。这些发现表明，AM 约束对 cHEX 的紧凑性影响巨大，且低导热材料在功率密度较高的换热器设计中可以超过铜等金属材料。