A impressão 3D otimiza o design do trocador de calor e o desempenho é aumentado em 20 vezes

Em 22 de setembro de 2021, a Universidade de Illinois usou a tecnologia de impressão 3D para produzir a próxima geração de trocadores de calor ultrapequenos, alcançando uma melhoria de desempenho de até 2.000%.

Para projetar formas geométricas inovadoras, os engenheiros desenvolveram um software de projeto de trocador de calor tridimensional com otimização da topologia. Este software foi projetado especificamente para otimizar os projetos de trocadores de calor existentes para maximizar a transferência de calor e, ao mesmo tempo, minimizar o peso da peça, o que pode ter um impacto significativo nas indústrias, como energia, eletrônica e aeroespacial.

William King, Professor de Ciência Mecânica e Engenharia, disse:" Nós desenvolvemos um software de otimização de forma para projetar trocadores de calor de alto desempenho. O software nos permite identificar projetos 3D que são significativamente diferentes dos projetos tradicionais e são melhores."

△ A renderização do trocador de calor impresso em 3D otimizado, a imagem é da Universidade de Illinois

A necessidade de um projeto ideal de trocador de calor

O trocador de calor é usado principalmente para transferir energia térmica do ponto A para o ponto B. Eles são muito importantes em muitas indústrias, e quase todos os sistemas complexos que geram calor usam trocadores de calor. Incluindo sistemas de geração de energia, transporte, processamento de petróleo e gás, dessalinização de água e gerenciamento térmico de produtos eletrônicos de consumo.

Atualmente, existem milhões de trocadores de calor em uso em todo o mundo, e seu desempenho e eficiência são muito importantes para reduzir as emissões de carbono. As pessoas precisam de trocadores de calor de alta área de superfície para promover uma dissipação de calor eficaz, além de serem compactos e leves. Em alguns setores como a aeroespacial, o tamanho e a qualidade dos componentes têm um impacto direto no desempenho, escopo e custo do sistema.

Nas últimas décadas, o design do trocador de calor não mudou muito. Limitada principalmente pela tecnologia de fabricação tradicional, ela é incapaz de fabricar estruturas complexas, como a otimização de canais internos para fluxo de calor. No entanto, com o desenvolvimento da tecnologia de impressão 3D de metal, projetos de trocadores de calor 3D que antes eram considerados impossíveis podem ser facilmente fabricados. Tudo o que é necessário é uma ferramenta de software especializada para projetar dispositivos novos e mais eficazes.

Trocador de calor tubo-a-tubo otimizado

A equipe de desenvolvimento usou um software de projeto tridimensional para desenvolver um tipo especial de trocador de calor chamado trocador tubo-a-tubo, que é freqüentemente usado em sistemas de água potável e sistemas de energia prediais. A característica do trocador tubo a tubo é que o tubo interno fica aninhado no tubo externo. Eles também configuraram um conjunto de aletas integradas dentro do tubo durante o projeto, que é um recurso de design interno que só pode ser obtido pela tecnologia de impressão 3D.

Após a finalização do projeto, os engenheiros imprimiram o trocador de calor com AlSi10Mg e realizaram testes de desempenho em ambiente de laboratório. A densidade de potência do trocador de calor impresso em 3D é de 26,6 watts / centímetro cúbico e a potência específica é de 15,7 kW / kg, que é cerca de 20 vezes maior do que trocadores de calor comerciais semelhantes.

Nenad Miljkovic, professor associado do Departamento de Ciência Mecânica e Engenharia, disse:" Nós projetamos, fabricamos e testamos um trocador de calor tubo-a-tubo otimizado. A densidade de potência volumétrica do trocador de calor otimizado é aproximadamente maior do que a do equipamento tubo-a-tubo comercial de última geração atual. 20 vezes" ;.

▲ A estrutura interna e o sistema circundante do trocador de calor, a imagem é da Universidade de Illinois

Esta pesquisa foi publicada no artigo &; Desenvolvimento de trocador de calor ultra-denso de potência através do projeto de algoritmo genético e manufatura aditiva &. Foi coautor de Hyunkyu Moon, Davis McGregor, Nenad Miljkovic e William King.