基于3D 打印技术的一体式换热器模型设计与实验模拟

工业设计专业中的《模型与塑造》课程是一门综合性和实践性都很强的专业基础课程。为了激发学生的创新思维，提高学生的动手实践能力，弥补理论与实践相脱节的现象，该课程紧密地与企业实际问题相结合，尝试将3D 打印技术应用到换热器领域，以解决换热器使用中出现的诸多问题，为此探讨了一体式换热器，并进行了创新设计和实验模拟。学生通过调研多家生产企业，了解了一体式换热器的生产过程、工艺，及换热器长时间使用后的现状和存在的问题，抓住重点问题，对换热器损坏的原因进行了分析，并从材料的选择、结构设计、3D 打印制作等方面进行探讨，达到学以致用的效果。学生对课程有了更深入的理解，能促进学生的快速发展，从而培养学生的创新思维与创业能力，为他们日后步入工作岗位打下良好的基础。

1 3D 打印技术概述

3D 打印是快速成型技术中的一种类型，其以数字模型文件为基础，采用塑料或粉末状金属等可粘合材料，通过逐层打印后以堆叠的方式来构造三维物体技术，然后通过计算机控制将打印材料层层叠加，最终将计算机上的图形变成三维物体。3D 打印技术的优点有：(1)无需任何模具或机械加工，就可以通过计算机中的图形数据直接用3D 打印机制造出任意复杂形状的物体，这样能降低生产成本，提高生产效率，缩短研发周期；(2)复杂的生产工艺过程得到了简化，单个产品就能快速有效地制造出来；(3)能解决用传统工艺技术无法制造的零件，如飞机的机翼、热交换器等；(4) 3D 打印机技术制作的产品与工厂机器生产出来的产品相比，3D 打印产品质量更轻，但产品质量同样坚固。3D 打印成型技术的优势在于它不受场地限制，可放到许多地方，如办公室、教室、创新中心、活动室、商店、实验室等，只要有电源和电脑的地方就可以打印。当然对于汽车部件、飞机部件等大物品，就需要大型号的打印机和大的空间放置。如今3D 打印快速成型技术的应用领域非常广泛，如汽车制造业、科技教育、医疗、工艺美术设计、桥梁、建筑设计、土木工程，以及其他领域。

目前3D 打印成型技术主要有四种：光固化成型SLA、叠成成型LOM、激光烧结成型SLS、熔融层积成型FDM

。其中FDM 是一种高性能的快速成型工艺，特别适合内腔、外部形状复杂的零件制造，以及有特殊要求的模具制造等。因此，FDM 熔融层积成型技术受到了国内外各领域越来越多的关注，在市场上也获得了一致好评，目前已广泛应用于工业设计、制造业、教育科研、医疗、艺术与文物等行业，发展前景广阔。

FDM 熔融层积成型技术的工作原理是将丝状的热熔性材料经过传输机构送进热熔喷嘴，热熔性材料会在熔喷嘴被高温熔化后挤出丝来，同时热熔喷嘴在计算机的控制下，根据计算机上图形的截面轮廓信息，将挤出的材料涂敷在工作台板上并迅速冷却凝固成型，一层打印成型完成后，打印机工作台下降一个高度，然后又继续重复上面的操作，此时会与前面打印的一层截面粘结在一起，直至形成实体模型

。FDM 技术的优点：(1)材料无气味、无毒，操作简单、安全，适用于办公室和家庭；(2)无激光器等贵重器件，机器价格便宜；(3)耗材为卷轴丝状，易于保存、搬运和更换；(4)耗材寿命长、利用率高、价格也比较便宜。FDM 成型流程图，如图1 所示。

《美国翻译标准质量指南》明确规定,翻译项目的各个阶段应由客户与翻译服务提供方共同实施,以得到符合商定规范的成品[5]。不论规模大小,所有的翻译项目都要求客户和项目经理互动。有效的互动对项目成功十分必要。项目越复杂,涉及的人越多,沟通就变得更为重要。项目经理,某些情况下与译员是同一人,除与涉及的内部或外部各方沟通进展之外,还主导整个项目,项目经理的职责是保证规范得到实施。因此,在必要时分,客户反过来也应向项目经理提供及时可靠的帮助。

2 一体式换热器概述

根据3D 打印机的特点，实验选用了MakerBot Replicator FDM 3D 打印机（第五代机型）仪器，材料选用了1.75mm 直径的ABS 材料。

一体式换热器具有如下特点：一是，结构紧凑、尺寸小、重量轻，可省去压紧板、固定螺丝和轴等结构，从结构上简化了换热器的组成；二是，一体式的结构还可以有效解决换热器的松动、损坏和密封垫老化等影响换热器安全和使用寿命的问题；三是，具有高效、高可靠性、耐高温高压及安全性的特征，能达到机器的工作要求；四是，可减少现有多零件组装、多接口引起的尺寸偏差，以及使用过程中振动导致换热器之间的零部件松动和损坏等问题。

3 基于3D 打印技术的一体式换热器模型设计的意义

管式换热器管子的排列方式主要有正方形排列、等边三角形排列和同心圆排列三种，其特点为：(1)正方形的清洗方式适合机械清洗管束，排列方式是直列排列，因此正方形管子排列方式较好，但流通截面积较小；(2)等边三角形排列方式是最普遍的，其管间距都相等，排列管数最多，但管间不容易清洗，流通截面积大，流速快；(3)同心圆式排列的管数最紧凑，布管且均匀，流通截面积大，流速快。根据上述特点，同心圆管子排列较好，非常适合一体式换热器，所以选用同心圆排列方式。

能用于制作一体式换热器的材料有金属、塑料等，以往研究人员曾尝试使用合金、陶瓷等材料研制耐腐蚀换热器，但发现性价比不高

。高分子材料、塑料材料都有着良好的耐腐蚀性能，它们质轻、表面光滑、抗污染性能好，这些优点可有效解决换热器的结垢和腐蚀等问题，但塑料的导热性能较差。杨杰辉等对聚丙烯进行了改性，并应用于空压机的翅片管换热器上

。王伟等对金属材料换热器和塑料材料换热器的性能进行了对比分析和实验，实验结果是塑料材质的换热器比金属材质的换热器在海水中的耐腐蚀性能更好，其成本也更低

。胡亚才等对塑料换热技术在耐腐蚀性能等方面进行了研究，研究的成果已在溴化锂吸收式制冷机上应用

。陈志峰等将金属换热器和塑料换热器在耐腐蚀性能、成本等方面进行了研究和比较，发现用于污水源热泵、塑料换热器的优势更为明显

。

4 基于3D 打印技术的一体式换热器模型设计的思路

管式换热器是当前在换热器行业应用最多的一种，它通常是用普通碳钢、不锈钢或紫铜材料生产的。管式换热器工作原理：一种流体介质从管子的封头连接管处进入，随后流体在管内流动，然后又从另一端封头出口管流出；同样，另一种流体介质由壳体的接管进入，在管内流动，然后从壳体上的另一接管处流出。

提高农产品质量安全预警有利于农业健康发展，提高国民生活水平，是当前相关部门需高度重视的一项工作。只有充分意识到提高农产品质量安全预警的意义，才能使其含有的实效性在农业发展中发挥出最大化，才会为社会经济不断增长做铺垫。

为了提高换热器模型管内流体的流速，要对换热器的管束进行分程，但不是分程越多越好，因为程数多了，容易造成管程内的动力能耗增大，管壳式换热器管壳程分程标准规定管程数分1、2、4、6 四种类型。根据换热器管壳程分程的特点，在进行一体式换热器模型设计时，从换热效率和流速方面选择了2 和4 两种形式的分程设计。

4.1 一体式换热器模型管径设计

换热管一般采用的管径是Φ19mm 和Φ25mm 二种尺寸，Φ19mm 管径的换热器结构紧凑、换热管传热系数高、单位体积传热面积大，所以一体式换热器模型管径设计选用Φ19mm 的管径。

4.2 一体式换热器模型管子排列方式设计

3D 打印机可以快速制作内腔结构复杂的换热器，一体式成型可以有效解决以往由于焊接技术等原因造成的换热器可靠性等方面的问题。一体式换热器具有轻质、高效、高可靠性、耐高温高压的设计技术。3D 打印技术能够完成薄壁、轻质、复杂结构件的高精度制造，为换热器在工业方面的应用提供了技术保障，给换热器制造带来新的技术革命，加快推进了3D 打印技术在换热器设计领域的应用。

2.1.1 制定健康宣教内容 充分发挥高年资护士的积极性，总结临床护理经验，查找相关资料，将病房常见的颅脑损伤的一般病程、症状处理、手术方式、麻醉种类、各种手术前的准备方法及意义、术后康复锻炼的步骤和方法、出院后的注意事项等进行整理归纳，写成既符合医学科学又通俗易懂的教育材料，并制成宣传册，供患者随时翻阅。

4.3 一体式换热器模型管壳程分程设计

一般换热器的设计主要考虑设备结构、材料、尺寸、重量、流量大小、流体的性质、温度、压力等方面的问题。

两种形式的一体式换热器设计如下：一种是2 个S 型管道的一体式换热器，如图2 所示，换热效率一般；另一个是4 个S 型管道的一体式换热器，如图3 所示，换热效率较高。换热器剖视图，如图4 所示，换热器立体图，如图5 所示。一体式换热器的三维设计选用了工程软件SolidWorks 进行建模。

4.4 一体式换热器模型的材料选择

基于3D 打印技术的一体式换热器模型设计，可直接进行数字化、一体化制造，这样可减少现有多零件的组装、多接口引起的尺寸偏差，以及使用过程中振动导致换热器之间的零部件松动和损坏等问题。3D 打印技术可直接制作内部结构复杂的换热器，实现传统加工方式不能实现的复杂结构加工工艺。

以往学术界对塑料换热器及其应用进行了一些探究，对进一步开展换热器的研究与实践提供了一定的指导。鉴于3D 打印机材料的限制，填充改性的塑料暂时不适合当前已开发的3D 打印机，适合3D 打印机的材料有：ABS、PLA、PC、PPSF 等，但研究选择的是ABS 工程材料：(1) ABS 具有材质轻、流体阻力小、抗冲击能力强的特点。(2) ABS 耐化学腐蚀强，表面强度高。ABS 快速成型的强度几乎可达到ABS 注塑件的强度，耐热温度为93.3°C。由此可见，ABS 具有良好的机械性能和物理性能，所以采用ABS 材料制作3D 打印的一体式换热器模型。随着今后3D 打印技术的发展，可选择具有更好换热效率的材料制作换热器。

在以上的研究中发现：(1)塑料或高分子材料自身都具有良好的防腐蚀和抗结垢性能，换热器采用塑料材料制作，可有效解决换热器的寿命的问题。尽管塑料的热导率较低，但可通过填充改性提高塑料的热导率。(2)塑料加工成型方便，加工工艺比金属简单，只要提高塑料的导热性能，塑料换热器在各行业中的应用会更加广泛。

前文所引彭绍升《儒行述》中的徐枋小传，在其篇末是这样表明史源的：“《居易堂集》《苏州府志》。”是则，传主的自我人生选择，特别是诗文集中的自我抒怀和陈情，对身后为其写作传记、行状者，还是起着至关重要的作用的。对此，徐枋本人是深信不疑的，这在其自编《居易堂集》的时候，就表现得尤为突出，在《自序》中，他这样说道：

5 实验模拟

换热器是化工、石油、机械、电力、动力、食品、轻工、船舶、冶金等多个领域广泛使用的重要设备，是整个工程应用系统中的一个关键部件，通过换热器可将不同温差的流体进行热量交换。因此，换热器在国民生产中占有非常重要的地位。换热器大多是金属材料制造的，换热器结构主要有管壳式结构和板式结构两大类，它主要由壳体、换热管、管板、折流挡板、封头等多种零部件组成。现有换热器使用中易出现的问题有：一是，金属换热器存在腐蚀和结垢的问题；二是，换热器在使用过程中容易发生振动，会导致换热器之间的零部件松动和损坏；三是，换热器的密封垫容易老化，会造成换热器的泄漏

；四是，换热器本身的材质影响，一般换热器采用的是碳钢，但碳钢易生锈、耐腐蚀性差，长期使用容易造成换热器的腐蚀，腐蚀后会导致设备性能失效；五是，换热器本身的质量问题等，在换热器制造过程中，如果隔板存在未焊透或焊后变形等质量问题，工作过程中又受到水和不稳定气流的不断冲击后，就会导致隔板的变形、断裂。这些故障均会影响换热器的使用寿命。

“我说，你记不记得跟我一起上过课?”她说，“不好意思，我无意冒犯，但即使我们一起上过课，我可能也不记得了。对我来说，所有无私者看起来都一样。我是说，到现在他们还那样，但你选择加入无畏派，你已经不是其中一员了。”

5.1 装载或拔出ABS 材料

将ABS 材料盘装载到打印机背面的耗材盒子后，将料盘上ABS 材料的一端装载到打印机的喷嘴中。需要先预热喷嘴，设定温度为210℃，待喷嘴完全预热，即温度达到后，机器就会发出装材料指令，此时就将 ABS 材料送入到喷头的装料管中，然后不断地将ABS 材料往下推送，ABS 材料在装料管中受热熔化，直到ABS 材料从喷头的喷嘴中涌出，这时就在控制面板上按转盘让ABS 材料停止挤出。拔出材料需注意要等ABS 材料完全冷却下来，再将其从喷嘴中拉出。

5.2 打印基准的选择

在makebot 软件中，先是要通过旋转缩放等命令，调整好模型位置大小，将已建好的换热器三维模型打开，并调整好成型的位置，注意要考虑打印机的工作范围来决定模型尺寸。一体式换热器模型打印的基准面选择至关重要。若是以箱体的一个基面为标准，则两侧的外螺纹在打印时由于没有打印支撑，会造成打印失败，所以此次制作选择了以管道外侧的一个面作为打印基面，打印物体剖面图，如图6 所示。

5.3 打印换热器模型

打印机温度预热达到后，软件提示后便开始打印了，此时选择 Print（打印），打印机便开始逐层打印，直至打印完成。注意不要在打印完成后立刻就关闭打印机，因为要让喷头冷却后再断电，不然喷头容易堵。打印好的一体式换热器模型，如图7 所示。

6 结语

根据当前换热器存在的问题及3D 打印技术的特点，从材料的选择、结构的创新设计、3D 打印实验模拟等方面进行了研究。采用ABS 工程塑料制作一体式换热器，可有效解决金属换热器的腐蚀和结垢问题。选择3D 打印技术实现了一体式和内部结构复杂的换热器制作，可见3D 打印技术应用于换热器等工业领域的前景非常广阔。将3D 打印技术应用到换热器领域，开阔了工业设计专业学生的视野，也为换热器行业设计师提供了思路。

环境约束下长江经济带投入效率的时空差异···················王琳玉 于丽英 (3,486)

[1]吕福顺，刘肖肖，程祥，等.基于FDM 的3D 打印参数优化实验研究[J].组合机床与自动化加工技术，2017（9）：114-117+121.

[2]于霄，吕多，赵孟，等.3D 打印技术在航空发动机换热器研制中的应用展望[J].航空制造技术，2014（22）：43-46.

[3]叶文邦，秦叔经.换热器[M].北京：化学工业出版社，2003.

[4]李智临，李磊，等.3D 打印技术及其在石油化工行业的应用研究[J].广东化工，2014，41（23）：100-101.

[5]杨杰辉.在复合镀层表面上实现滴状冷凝传热的研究[J].化学工程，1996（4）：38-41.

[6]王伟.焦化厂粗煤气冷却用固定管板式换热器改进[J].能源技术与管理，2011（2）：122-123+147.

[7]胡亚才，张雪东，王建平，等.塑料换热技术在溴化锂吸收式制冷机上的应用展望[J].制冷学报，2005（01）：44-48.

[8]陈志峰，闫泽生.塑料换热器在污水源热泵系统中的应用分析[J]，哈尔滨商业大学学报（自然科学版），2006（3）：55-57.