3D tlač optimalizuje dizajn výmenníka tepla a výkon sa zvyšuje 20-krát

22. septembra 2021 Univerzita v Illinois použila technológiu 3D tlače na výrobu novej generácie ultra malých výmenníkov tepla, čím dosiahla zlepšenie výkonu až o 2000%.

S cieľom navrhnúť inovatívne geometrické tvary inžinieri vyvinuli trojrozmerný softvér na navrhovanie výmenníka tepla s optimalizáciou topológie. Tento softvér je špeciálne navrhnutý tak, aby optimalizoval existujúce návrhy výmenníkov tepla s cieľom maximalizovať prenos tepla a zároveň minimalizovať hmotnosť časti, čo môže mať významný vplyv na odvetvia, ako je energetika, elektronika a letectvo.

William King, profesor strojárskej vedy a inžinierstva, povedal: "Vyvinuli sme softvér na optimalizáciu tvarov na navrhovanie vysokovýkonných výmenníkov tepla. Tento softvér nám umožňuje identifikovať 3D dizajny, ktoré sa výrazne líšia od tradičných dizajnov a sú lepšie."

△Vykresľovanie optimalizovaného 3D tlačeného výmenníka tepla, obrázok pochádza z University of Illinois

Potreba optimálneho dizajnu výmenníka tepla

Výmenník tepla sa používa hlavne na prenos tepelnej energie z bodu A do bodu B. Sú veľmi dôležité v mnohých priemyselných odvetviach a takmer všetky zložité systémy, ktoré vytvárajú výmenníky tepla. Vrátane systémov výroby energie, dopravy, spracovania ropy a plynu, odsoľovania vody a tepelného riadenia spotrebnej elektroniky.

V súčasnosti sa na celom svete používajú milióny výmenníkov tepla a ich výkonnosť a účinnosť sú veľmi dôležité pre zníženie emisií uhlíka. Ľudia potrebujú výmenníky tepla s vysokou povrchovou plochou na podporu účinného rozptyľuje tepla a zároveň sú kompaktné a ľahké. V niektorých odvetviach, ako je letecký priemysel, má veľkosť a kvalita komponentov priamy vplyv na výkon, rozsah a náklady systému.

V posledných desaťročiach sa dizajn výmenníka tepla veľmi nezmenil. Je obmedzená hlavne tradičnou výrobnou technológiou a nie je schopná vyrábať zložité konštrukcie, ako je optimalizácia vnútorných kanálov pre tok tepla. S vývojom technológie kovovej 3D tlače sa však dajú ľahko vyrobiť 3D návrhy výmenníkov tepla, ktoré boli predtým považované za nemožné. Všetko, čo je potrebné, je špecializovaný softvérový nástroj na navrhovanie nových a účinnejších zariadení.

Optimalizovaný výmenník tepla v trubici

Vývojový tím použil trojrozmerný dizajnový softvér na vývoj špeciálneho typu výmenníka tepla nazývaného výmenník trubice v trubici, ktorý sa často používa v systémoch pitnej vody a energetických systémoch budov. Charakteristickým znakom výmenníka trubice v trubici je, že vnútorná trubica je vnorená do vonkajšej trubice. Pri navrhovaní tiež vytvorili sadu integrovaných plutiev vo vnútri trubice, čo je vnútorná konštrukčná funkcia, ktorú možno dosiahnuť len technológiou 3D tlače.

Po dokončení návrhu inžinieri vytlačili výmenník tepla s AlSi10Mg a vykonali testy výkonu v laboratórnom prostredí. Hustota výkonu 3D tlačeného výmenníka tepla je 26,6 wattov / kubický centimeter a špecifický výkon je 15,7 kW / kg, čo je asi 20 krát viac ako podobné komerčné výmenníky tepla.

Nenad Miljkovic, docent katedry strojárskej vedy a inžinierstva, povedal: "Navrhli sme, vyrobili a otestovali optimalizovaný výmenník tepla v trubici. Objemová hustota výkonu optimalizovaného výmenníka tepla je približne vyššia ako hustota súčasného najmodernejšieho komerčného zariadenia na trubice v trubici. 20 krát."

▲Vnútorná štruktúra a okolitý systém výmenníka tepla, obraz pochádza z University of Illinois

Tento výskum bol publikovaný v článku "Ultra-power-hustý vývoj výmenníka tepla prostredníctvom návrhu genetického algoritmu a aditívnej výroby". Spoluautormi sú Hyunkyu Moon, Davis McGregor, Nenad Miljkovic a William King.