Hitaskiptarör er venjulega teiknað með sömu veggþykkt frá enda til enda, ákvarðað af versta álagspunkti. Aukaframleiðsla eykur þessa þvingun: nú er hægt að prenta tvíhliða rör úr ryðfríu stáli með þykkari vegg nálægt slönguplötunni þar sem álagið safnast saman, og rakhnífþunnum vegg í miðjunni þar sem aðeins þrýstingsvörn skiptir máli, sem kreistir út hvern síðasta dropa af hitauppstreymi. Þessi hæfileiki til að breyta veggþykkt meðfram rörlengdinni er að endurmóta hversu fyrirferðarlítið, afkastamikill varmaskiptar er hannaður fyrir hafsvæði, efnaverksmiðjur og flugrými.
Hefðbundin þvingun: Samræmd veggþykkt alls staðar
Hefðbundin tvíhliða ryðfrítt stálrör (td 2205, 2507) eru framleidd með útpressun, teikningu eða veltingu. Þessi ferli framleiða rör með astöðug veggþykkteftir allri lengdinni. Veggþykktin er valin á grundvelli mestu álagsstaðsetningar-venjulega endar rörið, þar sem rörið er rúllað eða soðið inn í rörplötuna, eða þar sem beygjuspennan er mest. Fyrir vikið er miðhluti rörsins ofhannaður fyrir hreina þrýstingsvörn. Umfram málmur eykur þyngd, kostnað og hitaþol. Vegna þess að varmaflutningur yfir rörvegg er í öfugu hlutfalli við þykkt (fyrir tiltekið efni og vökvaskilyrði) skerðir jafnþykkt rör skilvirkni.
Aukaframleiðslulausnin: Breytileg veggþykktarsnið
Aukaframleiðsla tvíhliða rör úr ryðfríu stáli fínstillthönnun er framleidd með því að notalaser duft bed fusion (LPBF). Aflmikill leysir bræðir fínt duft úr tvíhliða ryðfríu stáli (td UNS S31803 eða S32750) sértækt lag fyrir lag. Ferlið fylgir þrívíddar CAD líkani sem skilgreinir ytra þvermál rörsins, innra þvermál og afbrigði meðfram ásnum. Ólíkt hefðbundnum aðferðum er hægt að breyta veggþykktinni stöðugt.
Dæmigerðar hagræðingaraðferðir eru:
Þykkri endar– Fyrstu 50–100 mm rörsins nálægt hvorum enda (þar sem það snertir rörplötuna) tekur við viðbótarlög af málmi, sem eykur veggþykktina. Þetta styrkta svæði ræður við mikla staðbundna álag frá veltingum, þenslu, titringi og beygjustundum.
Þynnri miðhluti– Miðsvæðið, sem verður aðeins fyrir álagi á ramma frá innri þrýstingi, er prentað með lágmarksþykktinni sem þarf til að uppfylla þrýstingshönnunarkóðann (td ASME kafla VIII, deild 1 eða 2). Í sumum útfærslum er þessi miðhluti 30–50% þynnri en hefðbundin dregin rör úr sama efni og þrýstingsmat.
Smám saman umskipti– Breyting á veggþykkt er mjókkuð yfir stutta vegalengd (td 20–30 mm) til að koma í veg fyrir álagsstyrk við skörp skref.
Niðurstaðan er virkniflokkaður hluti: málmur er settur nákvæmlega þar sem hann stuðlar að vélrænni heilleika og fjarlægður þar sem hann bætir aðeins við þyngd og hitaþol.
Bættur hitaflutningur og minni þyngd
Aðferðin með breytilegum veggjum veitir tvo mælanlega kosti:
Aukinn heildarvarmaflutningsstuðull (U)– Fyrir sömu innri og ytri vökvaskilyrði dregur þynnri rörveggur úr leiðandi viðnám. Varmaleiðni tvíhliða ryðfríu stáli er um það bil 15–17 W/m·K. Með því að minnka veggþykkt úr 2,0 mm í 1,2 mm (40% minnkun) lækkar leiðandi varmaviðnám um 40%, og eykur heildar U-gildið um mælanlegan mun (venjulega 10–15% eftir filmustuðlum).
Þyngdarminnkun– Fyrir langa rör (td 6 m) er meirihluti lengdarinnar þunnveggur miðhluti. Heildarþyngd túpu sem er framleidd með aukefnum getur verið 25–40% lægri en sambærilegs hefðbundins dregins rörs með samræmda þykkt sem er hönnuð fyrir sömu endaálag. Í varmaskiptabúnti með hundruðum röra er uppsafnaður þyngdarsparnaður umtalsverður-mikilvægur fyrir hafsvæði og flugrými þar sem hvert kíló skiptir máli.
Málmfræðilegir kostir aukefnaframleiðslu fyrir tvíhliða
LPBF úr tvíhliða ryðfríu stáli framleiðir örbyggingu sem er greinilega frábrugðin unnu efni. Mjög hröð storknun (kælingarhraði allt að 10⁶ gráður/s) gefur mjög fína, einsleita blöndu af austeníti og ferríti, oft með kornastærðir á míkrómetra- eða undirmíkrómetrasviðinu. Þessi fína uppbygging getur veitt:
Hærri uppskeruþol(oft 20–30% yfir smíðuðu ígildi í prentuðu ástandi).
Góð höggþoleftir rétta hitameðferð.
Lágmarks aðskilnaðuraf málmblöndurþáttum, sem dregur úr hættu á millimálmfasamyndun við prentun.
Hins vegar, til að ná sem bestum tæringarþol og fasajafnvægi, þurfa flestir tvíhliða íhlutir, sem eru framleiddir í viðbót, a.Lausnglæðing og slökkun eftir vinnslu. Dæmigerð hitameðferðarlota er:
Hitið í 1050–1100 gráður (fer eftir tiltekinni einkunn).
Haltu í stuttan tíma (td 30 mínútur fyrir hverja 25 mm þykkt hluta).
Hröð vatnsslökkva eða gasslökkva til að forðast útfellingu á sigma fasa og öðrum millimálmum.
After correct heat treatment, additively manufactured duplex stainless steel matches or exceeds the pitting resistance (PREN >40 fyrir ofur tvíhliða) af unnu hliðstæðu þess.
Yfirborðsfrágangur og áhrif þess á frammistöðu
Eins og prentað yfirborð LPBF rörs er verulega grófara en dregið eða slípað rör. Dæmigert yfirborðsgrófleiki (Ra) er á bilinu 6 til 15 µm, samanborið við 0,4–1,6 µm fyrir dregið rör. Þessi grófleiki hefur tvö samkeppnisáhrif:
Aukinn hitaflutningur– Innan í rör stuðlar yfirborðsrjúfleiki að ókyrrandi flæði og truflar lagskiptu jaðarlagið, sem eykur leiðslunarfilmustuðulinn. Fyrir vökva með litla hitaleiðni (td olíur eða lofttegundir) getur þetta verið gagnlegt.
Aukið þrýstingsfall– Gróft yfirborð eykur einnig núningsstuðul, sem krefst meiri dæluafls. Fyrir háflæðisnotkun getur þessi þrýstingsfallsviðurlög vegið þyngra en ávinningurinn af hitaflutningi.
Áhyggjur af tæringu– Gróft yfirborð getur fangað klóríð eða útfellingar, hugsanlega komið af stað gryfju eða tæringu á rifum. Fyrir árásargjarna kælivatnsþjónustu getur verið þörf á eftirvinnslu eins og raffægingu eða efnasýringu til að slétta yfirborðið og endurheimta óvirka filmu.
Þess vegna verður að tilgreina endanlega yfirborðsáferð sem hluta af aukefnaframleiðsluferlinu, sem jafnar kröfur um varma, vökva og tæringu.
Núverandi ástand: Framleiðslu- og iðnaðarflugmenn
Aukaframleiðsla á tvíhliða ryðfríu stáli rörum er enn ekki vöruframleiðsluaðferð. Núna er verið að prufa og staðfesta tæknina fyrir sess þar sem þyngd, pláss eða frammistöðugjöld réttlæta hærri kostnað (venjulega 5-10 sinnum hærri en hefðbundin dregin rör). Meðal lykilsviða eru:
Offshore olía og gas– Fyrirferðarlítill varmaskiptar fyrir vinnslu á yfirborði, þar sem þyngdarminnkun lækkar kostnað pallbyggingar.
Aerospace– Recuperators og intercoolers fyrir gastúrbínuvélar, þar sem hvert gramm sem sparast bætir eldsneytisnýtingu.
Mikilvæg efnavinnsla– Tilraunaverksmiðjur og sérkljúfar þar sem sérsniðin rúmfræði röra getur hámarkað hvarfhvörf eða hitasamþættingu.
Nokkur rannsóknarverkefni og fyrirtæki sem eru snemma að ættleiða hafa sýnt fram á:
Prentaðar tvíhliða rör allt að 1 m að lengd og 25 mm í þvermál (takmarkanir á smíði umslags eru aðalþvingunin; stærri rör krefjast einingaprentunar eða nýrrar kynslóðar prentara).
Breytileg veggþykktarhlutföll 2:1 (þykkur enda til þunnur miðja) hafa tekist með góðum árangri.
Vélrænar prófanir sýna að rétt hitameðhöndluð prentuð rör uppfylla streitugildi ASME kafla II (Hluti D) fyrir tvíhliða ryðfrítt stál við stofuhita og við hækkað hitastig (allt að 250 gráður).
Áskoranir og samþykki kóða
Hin útbreidda innleiðing tvíhliða röra sem framleidd er í viðbót er haldið aftur af þremur megináskorunum:
1. Byggja umslagsstærð
Flestir LPBF prentarar hafa byggingarmagn takmarkað við 400 × 400 × 400 mm. Dæmigerð varmaskiptarör er 3–6 m löng. Ekki er enn mögulegt að prenta rör í fullri lengd. Núverandi aðferðir eru meðal annars:
Prenta styttri hluta (td 300 mm hluta) og sjóða þá saman (þó að suðunar endurtaki nokkrar af hefðbundnum takmörkunum).
Prentun allan varmaskiptakjarnann sem einn blokk, með samþættum rennslisgöngum, frekar en einstökum rörum.
Notkun beina orkuútfellingar (DED) með snúningsstöng til að prenta langar, samfelldar rör - tækni sem enn er í rannsóknum.
2. Hæfni hönnunarkóða
Núverandi kóðar fyrir þrýstihylki (ASME Hluti VIII, EN 13445) hafa ekki staðlaðar reglur fyrir íhluti sem eru framleiddir í viðbót, sérstaklega fyrir rör með breytilega veggþykkt. Framleiðendur verða að hæfa hverja hönnun með víðtækum prófunum eða nota "kóðatilfelli" nálgun (td ASME ketils- og þrýstihylkiskóði 2938 fyrir aukframleiðslu á ryðfríu stáli). Þetta er tímafrekt og dýrt.
3. Non-Destructive Inspection (NDI)
Það er flóknara að skoða rör með breytilegri veggþykkt með tilliti til innri galla (skortur á samruna, porosity, sprungur) en fyrir einsleitt rör. Hægt er að nota röntgenmyndatöku (CT) en er hægt fyrir langar slöngur. Ultrasonic tækni krefst sérsniðinnar kvörðunar fyrir hvert þykkt svæði.
Framtíðarhorfur: Hönnun varmaskipta í frjálsu formi
Eftir því sem magn prentara eykst og kóðar þroskast, er búist við að aukefnaframleiðsla færist úr tilraunaverkefnum yfir í staðlaðan valkost fyrir hágæða, fyrirferðalítil varmaskipti. Hæfni til aðmismunandi veggþykkt eftir lengdinnier aðeins fyrsta skrefið. Framtíðarhönnun getur falið í sér:
Innri grófir hlutartil að stuðla að ókyrrð á lágflæðissvæðum, með sléttum hlutum annars staðar til að lágmarka þrýstingsfall.
Breytileg rúmfræði uggautan á rörum.
Samþætt inntaks- og úttaksgreinprentuð einhliða með rörunum, sem útilokar samskeyti og tilheyrandi tæringarhættu.
Efni í flokkimeðfram rörlengdinni (td ódýrari álfelgur í miðjunni sem er lágt álag, fer yfir í ofur tvíhliða á endanum).
Sérstaklega fyrir tvíhliða ryðfríu stáli halda rannsóknir áfram til að útrýma þörfinni fyrir glæðingu lausnar eftir prentun með því að fínstilla LPBF færibreytur á staðnum, sem gæti hugsanlega dregið úr kostnaði og afgreiðslutíma.
Niðurstaða: Slöngur fæddur með mjókkuðu mitti
Aukaframleiðsla gefur verkfræðingum frelsi til að móta tvíhliða rör úr ryðfríu stáli á millimetra mælikvarða og búa til íhluti sem eru léttari, skilvirkari og fullkomlega sniðnir að álagssniði þeirra. Nú er hægt að prenta rör með þykkari endum til að standast álag á rörplötum og þynnri miðju til að lágmarka hitaþol og þyngd. Þó að tæknin sé eins og stendur takmörkuð við tilraunaframleiðslu fyrir hágæða forrit, þá er óumdeilt að árangursaukningin-bættir hitaflutningsstuðlar, þyngdarminnkun efnis um 25–40% og hæfileikinn til að fínstilla hvern millimetra af þykkt-. Framtíð hönnunar varmaskipta er í lausu formi og aukaframleidd tvíhliða ryðfrítt stálrör eru í fararbroddi í þessari þróun. Staðlaðir hönnunarkóðar eru að ná sér á strik og eftir því sem prentarageta stækkar mun „bjartsýni veggþykktar“ rörið fara úr rannsóknarforvitni yfir í staðlaða iðnaðarlausn.
