高温热交换器被广泛地应用在太阳能、核能发电以及混动、电动航天等领域。然而，由于苛刻的操作环境，高温热交换器往往成为整个系统的“瓶颈”。
在高温高压工作状态下，使用超临界二氧化碳替代传统的蒸汽循环，会大幅度地提升能源效率。尽管高温合金与陶瓷可承受高温、高压的负载，但在传统的热交换器设计中，使用这些材料制作高温热交换器不仅价格高、功率密度低，而且高温热交换器自身体积庞大、质量大，这些不利因素严重地制约了其在可持续能源以及电动航空的发展。
近日，美国麻省理工学院（MIT）、普渡大学以及通用电气公司合作，共同研发了一款新型多尺度多孔碳化硅陶瓷热交换器，并实现了极高的传热性能，相较于现有的印刷电路热交换器，其体积缩小了 2.5 倍以上。
这项热交换器利用了陶瓷共挤压技术，可实现低成本、快速生产，为可持续能源以及航天领域的减碳应用提供了必要的技术支持。
图丨相关论文（来源：International Journal of Heat and Mass Transfer）
近日，相关论文以《用于超高功率密度高温应用的多尺度多孔陶瓷换热器的设计与建模》（Design and modeling of a multiscale porous ceramic heat exchanger for high temperature applications with ultrahigh power density）为题发表在International Journal of Heat and Mass Transfer上[1]。
在该研究中，新型多尺度多空陶瓷热交换机的整体设计和优化，由该论文第一作者、MIT 机械工程系博后研究员李翔宇主要负责。他开发了针对于该热交换器的多级传热流体数值模型，高效准确地模拟以及优化热交换器的性能。
该论文共同第一作者、MIT 机械工程系博士生查得·威尔逊（Chad Wilson）则致力于结构力学方面的研究和优化。流体传热以及结构力学的建模与优化，为这项新型多尺度多孔热交换器的发展奠定了理论基础。普渡大学的合作者侧重于陶瓷共挤压技术以及热交换器的生产过程。
该团队设计出一种新型的高温碳化硅陶瓷热交换器，他们通过多尺度多孔结构，同时增强了热流体传输性能和机械强度，突破了传统热交换器的设计理念。
图丨多尺度多孔陶瓷换热器设计示意图（来源：International Journal of Heat and Mass Transfer）
在研究过程中的难点在于如何将陶瓷共挤压技术转化为适用于高温热交换器的设计，并且还要实现高性能、低成本的目标。
他们一方面利用脚手架结构增强了机械强度，另一方面利用～100µm 的孔径以及增加接触面积，大幅度地提升了传热性能，以空气和超级临界二氧化碳作为混合动力和电动航空应用中的工作流体，实现了功率密度 717MW/m3以及 300kW/kg，热效率为 50%，这高于现有陶瓷热交换器指标一个数量级以上。
图丨用于结构力学软件 COMSOL 仿真的有限元网格、边界和加载条件。 仿真的有限元网格、边界和加载条件。流体压力作为静态、均匀分布的载荷施加在大通道壁上，同时在交替通道的外部边界上规定了周期性边界条件，以模拟可扩展的棋盘式换热器芯（来源：International Journal of Heat and Mass Transfer）
以熔盐和超级临界二氧化碳作为新能源以及核能发电工作流体，该陶瓷换热器可实现 9.71MW/m3和 4.05kW/kg 的功率密度，效率为 95%，其体积较现有陶瓷换热器水平提升了 2.5 倍以上。
李翔宇表示，“该设计以及陶瓷共挤压技术同时具有模块化的设计，并且对于材料的选择有很大的自由度，适用于各类高温高压的应用场景，比如在太阳能/核能发电，混动/电动航空航天等领域实现高度可定制的应用。”
图丨该论文第一作者、MIT 机械工程系博士后李翔宇（左），该论文合著者之一、普渡大学材料工程系罗德尼·崔斯（Rodney Trice）教授（来源：李翔宇）
此外，该技术还提升了热交换器性能、降低造价，并大幅地减少了热交换器的体积和重量，为新能源发展以及电动航空技术提供了技术支持。据悉，该技术已经申请专利，目前正在与通用电气公司共同推进产业化方面的合作。
“我们对于热交换器的设计，生产流程进行进一步的优化和提升。该技术距离大规模应用预计还需要数年不断地发展和进步。”李翔宇说。
图丨棋盘式逆流换热器的原理图设计（来源：International Journal of Heat and Mass Transfer）
在设计方面，该团队会对新型热交换器继续进行优化，使该技术更契合各个特定高温、高压的应用要求。在加工生产方面，他们也将继续优化流程，降低成本从而满足大规模生产的需要。
总的来说，该团队提出一种多尺度多孔陶瓷换热器设计，为各种高温高压应用提供了一种高度模块化和可定制的高性能的解决方案。
该论文通讯作者为 MIT 机械工程系教授伊夫林・王（Evelyn Wang），她也是李翔宇博后期间的合作导师。据悉，李翔宇即将结束博后研究，并将于今年 8 月加入到田纳西大学诺克斯维尔分校成立独立课题组，继续从事高温热交换器、海水淡化等方向的研究。