3D ispis optimizira dizajn izmjenjivača topline, a performanse se povećavaju za 20 puta

22. rujna 2021. sveučilište Illinois koristilo je tehnologiju 3D ispisa za proizvodnju sljedeće generacije ultra-malih izmjenjivača topline, postižući poboljšanje performansi do 2000%.

Kako bi dizajnirali inovativne geometrijske oblike, inženjeri su razvili trodimenzionalni softver za dizajn izmjenjivača topline s optimizacijom topologije. Ovaj softver posebno je dizajniran za optimizaciju postojećih dizajna izmjenjivača topline kako bi se maksimizirao prijenos topline uz minimiziranje težine dijela, što može imati značajan utjecaj na industrije kao što su energija, elektronika i zračni prostor.

William King, profesor strojarstva i inženjerstva, rekao je: "Razvili smo softver za optimizaciju oblika za dizajniranje izmjenjivača topline visokih performansi. Softver nam omogućuje da identificiramo 3D dizajne koji se značajno razlikuju od tradicionalnih dizajna i bolji su."

△Slikavanje optimiziranog 3D tiskanog izmjenjivača topline, slika dolazi sa Sveučilišta Illinois

Nužnost optimalnog dizajna izmjenjivača topline

Izmjenjivač topline uglavnom se koristi za prijenos toplinske energije iz točke A u točku B. Vrlo su važni u mnogim industrijama, a gotovo svi složeni sustavi koji stvaraju toplinu koriste izmjenjivače topline. Uključujući sustave proizvodnje energije, transport, preradu nafte i plina, desalinizaciju vode i termičko upravljanje potrošačkom elektronikom.

Trenutačno se diljem svijeta koriste milijuni izmjenjivača topline, a njihova učinkovitost i učinkovitost vrlo su važni za smanjenje emisija ugljika. Ljudi trebaju izmjenjivače topline visoke površine kako bi promicali učinkovito rasipanje topline, a istovremeno su kompaktni i lagani. U nekim industrijama kao što su zrakoplovna industrija, veličina i kvaliteta komponenti izravno utječu na performanse, opseg i troškove sustava.

U posljednjih nekoliko desetljeća dizajn izmjenjivača topline nije se mnogo promijenio. Uglavnom ograničen tradicionalnom proizvodnom tehnologijom, ne može proizvesti složene strukture, kao što je optimizacija unutarnjih kanala za protok topline. Međutim, s razvojem tehnologije metalnog 3D ispisa, 3D dizajn izmjenjivača topline koji su se ranije smatrali nemogućim mogu se lako proizvesti. Sve što je potrebno je specijalizirani softverski alat za dizajn novih i učinkovitijih uređaja.

Optimizirani izmjenjivač topline cijevi u cijevi

Razvojni tim koristio je trodimenzionalni softver za dizajn kako bi razvio posebnu vrstu izmjenjivača topline pod nazivom izmjenjivač cijevi u cijevi, koji se često koristi u sustavima pitke vode i izgradnji energetskih sustava. Karakteristika izmjenjivača cijevi u cijevi je da je unutarnja cijev ugniježđena u vanjskoj cijevi. Također su postavili set integriranih peraja unutar cijevi prilikom projektiranja, što je unutarnja značajka dizajna koja se može postići samo tehnologijom 3D ispisa.

Nakon dovršetka dizajna, inženjeri su ispisali izmjenjivač topline s AlSi10Mg i obavili testove performansi u laboratorijskom okruženju. Gustoća snage 3D tiskanog izmjenjivača topline je 26,6 vata / kubični centimetar, a specifična snaga je 15,7 kW / kg, što je oko 20 puta više od sličnih komercijalnih izmjenjivača topline.

Nenad Miljković, izvanredni profesor Katedre za strojarstvo i inženjerstvo, izjavio je: "Dizajnirali smo, proizveli i testirali optimizirani izmjenjivač topline cijevi u cijevi. Volumetrijska gustoća snage optimiziranog izmjenjivača topline približno je veća od trenutne najsuvremenije komercijalne tube-in-tube opreme. 20 puta".

▲ Unutarnje strukture i okolnog sustava izmjenjivača topline, slika dolazi sa Sveučilišta Illinois

Ovo istraživanje objavljeno je u radu "Razvoj ultra-gustog izmjenjivača topline kroz dizajn genetskih algoritama i aditivnu proizvodnju". Autori su ga Hyunkyu Moon, Davis McGregor, Nenad Miljković i William King.