La impressió 3D optimitza el disseny del bescanviador de calor i el rendiment augmenta 20 vegades

El 22 de setembre de 2021, la Universitat d’Illinois va utilitzar la tecnologia d’impressió 3D per produir la propera generació d’intercanviadors de calor ultra-petits, aconseguint una millora del rendiment de fins al 2000%.

Per tal de dissenyar formes geomètriques innovadores, els enginyers han desenvolupat un programari de disseny d’intercanviadors de calor tridimensionals amb optimització de topologia. Aquest programari està dissenyat específicament per optimitzar els dissenys d’intercanviadors de calor existents per maximitzar la transferència de calor i minimitzar el pes de la peça, cosa que pot tenir un impacte significatiu en indústries com l’energia, l’electrònica i l’aeroespacial.

William King, professor de Ciències Mecàniques i Enginyeria, va dir:" Hem desenvolupat un programari d'optimització de formes per dissenyar intercanviadors de calor d'alt rendiment. El programari ens permet identificar dissenys en 3D que són significativament diferents dels dissenys tradicionals i que són millors."

△ La imatge de l'intercanviador de calor imprès en 3D optimitzat prové de la Universitat d'Illinois

La necessitat d'un disseny òptim de l'intercanviador de calor

L’intercanviador de calor s’utilitza principalment per transferir l’energia tèrmica des del punt A fins al punt B. Són molt importants en moltes indústries, i gairebé tots els sistemes complexos que generen calor utilitzen intercanviadors de calor. Incloent sistemes de generació d’energia, transport, processament de petroli i gas, dessalinització d’aigua i gestió tèrmica d’electrònica de consum.

Actualment, hi ha milions d’intercanviadors de calor en ús a tot el món, i el seu rendiment i eficiència són molt importants per reduir les emissions de carboni. Les persones necessiten intercanviadors de calor d’alta superfície per afavorir la dissipació eficaç de la calor, alhora que són compactes i lleugers. En algunes indústries com l'aeroespacial, la mida i la qualitat dels components tenen un impacte directe sobre el rendiment, l'abast i el cost del sistema.

En les darreres dècades, el disseny de l'intercanviador de calor no ha canviat gaire. Limitat principalment per la tecnologia de fabricació tradicional, és incapaç de fabricar estructures complexes, com ara optimitzar els canals interns per al flux de calor. No obstant això, amb el desenvolupament de la tecnologia d'impressió 3D de metall, es poden fabricar fàcilment dissenys d'intercanviadors de calor 3D que abans es consideraven impossibles. Tot el que es necessita és una eina de programari especialitzada per dissenyar dispositius nous i més eficaços.

Intercanviador de calor tub a tub optimitzat

L’equip de desenvolupament va utilitzar un programari de disseny tridimensional per desenvolupar un tipus especial d’intercanviador de calor anomenat intercanviador tub a tub, que s’utilitza sovint en sistemes d’aigua potable i sistemes d’energia en edificis. La característica de l’intercanviador tub a tub és que el tub interior està niat al tub exterior. També van configurar un conjunt d’aletes integrades a l’interior del tub durant el disseny, que és una característica de disseny intern que només es pot aconseguir mitjançant la tecnologia d’impressió 3D.

Després de finalitzar el disseny, els enginyers van imprimir l'intercanviador de calor amb AlSi10Mg i van realitzar proves de rendiment en un entorn de laboratori. La densitat de potència de l’intercanviador de calor imprès en 3D és de 26,6 watts / centímetre cúbic i la potència específica és de 15,7 kW / kg, que és aproximadament 20 vegades superior als intercanviadors de calor comercials similars.

Nenad Miljkovic, professor associat del Departament de Ciències i Enginyeria Mecànica, va dir:" Hem dissenyat, fabricat i provat un intercanviador de calor tub a tub optimitzat. La densitat de potència volumètrica de l’intercanviador de calor optimitzat és aproximadament superior a la dels equips comercials tub-a-tub d’última generació actuals. 20 vegades" ;.

▲ L'estructura interna i el sistema circumdant de l'intercanviador de calor, la imatge prové de la Universitat d'Illinois

Aquesta investigació ha estat publicada al document" Desenvolupament d’intercanviadors de calor densos a força de potència mitjançant el disseny d’algoritmes genètics i la fabricació additiva". Va ser coautor de Hyunkyu Moon, Davis McGregor, Nenad Miljkovic i William King.