Η τρισδιάστατη εκτύπωση βελτιστοποιεί τη σχεδίαση του εναλλάκτη θερμότητας και η απόδοση αυξάνεται κατά 20 φορές

Στις 22 Σεπτεμβρίου 2021, το Πανεπιστήμιο του Ιλινόις χρησιμοποίησε την τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης για την παραγωγή της επόμενης γενιάς εξαιρετικά μικρών εναλλάκτων θερμότητας, επιτυγχάνοντας βελτίωση της απόδοσης έως και 2000%.

Προκειμένου να σχεδιάσουν καινοτόμα γεωμετρικά σχήματα, οι μηχανικοί έχουν αναπτύξει ένα τρισδιάστατο λογισμικό σχεδιασμού εναλλάκτη θερμότητας με βελτιστοποίηση τοπολογίας. Αυτό το λογισμικό έχει σχεδιαστεί ειδικά για τη βελτιστοποίηση των υφιστάμενων σχεδίων εναλλάκτη θερμότητας για μεγιστοποίηση της μεταφοράς θερμότητας ενώ ελαχιστοποιεί το βάρος του μέρους, το οποίο μπορεί να έχει σημαντικό αντίκτυπο σε βιομηχανίες όπως η ενέργεια, τα ηλεκτρονικά και η αεροδιαστημική.

Ο William King, καθηγητής Μηχανικής Επιστήμης και Μηχανικής, δήλωσε:" Έχουμε αναπτύξει λογισμικό βελτιστοποίησης σχήματος για να σχεδιάσουμε εναλλάκτες θερμότητας υψηλής απόδοσης. Το λογισμικό μας επιτρέπει να εντοπίσουμε τρισδιάστατα σχέδια που διαφέρουν σημαντικά από τα παραδοσιακά σχέδια και είναι καλύτερα."

△ Η απόδοση του βελτιστοποιημένου 3D εκτυπωτή εναλλάκτη θερμότητας, η εικόνα προέρχεται από το Πανεπιστήμιο του Ιλινόις

Η αναγκαιότητα του βέλτιστου σχεδιασμού του εναλλάκτη θερμότητας

Ο εναλλάκτης θερμότητας χρησιμοποιείται κυρίως για τη μεταφορά θερμικής ενέργειας από το σημείο Α στο σημείο Β. Είναι πολύ σημαντικοί σε πολλές βιομηχανίες και σχεδόν σε όλα τα πολύπλοκα συστήματα που παράγουν θερμότητα χρησιμοποιούν εναλλάκτες θερμότητας. Περιλαμβάνει συστήματα παραγωγής ενέργειας, μεταφορές, επεξεργασία πετρελαίου και φυσικού αερίου, αφαλάτωση νερού και θερμική διαχείριση ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης.

Επί του παρόντος, υπάρχουν εκατομμύρια εναλλάκτες θερμότητας που χρησιμοποιούνται παγκοσμίως και η απόδοση και η απόδοσή τους είναι πολύ σημαντικές για τη μείωση των εκπομπών άνθρακα. Οι άνθρωποι χρειάζονται εναλλάκτες θερμότητας μεγάλης επιφάνειας για να προωθήσουν την αποτελεσματική διάχυση της θερμότητας, ενώ είναι επίσης συμπαγής και ελαφρύς. Σε ορισμένους κλάδους όπως η αεροδιαστημική, το μέγεθος και η ποιότητα των εξαρτημάτων έχουν άμεσο αντίκτυπο στην απόδοση, το εύρος και το κόστος του συστήματος.

Τις τελευταίες δεκαετίες, ο σχεδιασμός του εναλλάκτη θερμότητας δεν έχει αλλάξει πολύ. Περιορίζεται κυρίως από την παραδοσιακή τεχνολογία κατασκευής, δεν είναι σε θέση να κατασκευάσει πολύπλοκες κατασκευές, όπως η βελτιστοποίηση εσωτερικών καναλιών για ροή θερμότητας. Ωστόσο, με την ανάπτυξη της τεχνολογίας μεταλλικής τρισδιάστατης εκτύπωσης, μπορούν να κατασκευαστούν εύκολα σχέδια εναλλακτών θερμότητας 3D που μέχρι πρότινος θεωρούνταν αδύνατα. Το μόνο που χρειάζεται είναι ένα εξειδικευμένο εργαλείο λογισμικού για το σχεδιασμό νέων και πιο αποτελεσματικών συσκευών.

Βελτιστοποιημένος εναλλάκτης θερμότητας σωλήνας σε σωλήνα

Η ομάδα ανάπτυξης χρησιμοποίησε τρισδιάστατο λογισμικό σχεδιασμού για να αναπτύξει έναν ειδικό τύπο εναλλάκτη θερμότητας που ονομάζεται εναλλάκτης σωλήνων σε σωλήνες, ο οποίος χρησιμοποιείται συχνά σε συστήματα πόσιμου νερού και ενεργειακά συστήματα κτιρίων. Το χαρακτηριστικό του εναλλάκτη σωλήνα σε σωλήνα είναι ότι ο εσωτερικός σωλήνας είναι φωλιασμένος στον εξωτερικό σωλήνα. Δημιούργησαν επίσης ένα σύνολο ενσωματωμένων πτερυγίων στο εσωτερικό του σωλήνα κατά το σχεδιασμό, το οποίο είναι ένα εσωτερικό χαρακτηριστικό σχεδιασμού που μπορεί να επιτευχθεί μόνο με την τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης.

Αφού οριστικοποιήθηκε ο σχεδιασμός, οι μηχανικοί εκτύπωσαν τον εναλλάκτη θερμότητας με AlSi10Mg και πραγματοποίησαν δοκιμές απόδοσης σε εργαστηριακό περιβάλλον. Η πυκνότητα ισχύος του τρισδιάστατου εκτυπωτή εναλλάκτη θερμότητας είναι 26,6 watt/κυβικό εκατοστό και η ειδική ισχύς είναι 15,7 kW/kg, που είναι περίπου 20 φορές υψηλότερη από παρόμοιους εμπορικούς εναλλάκτες θερμότητας.

Ο Nenad Miljkovic, αναπληρωτής καθηγητής του Τμήματος Μηχανικής Επιστήμης και Μηχανικής, δήλωσε:" Έχουμε σχεδιάσει, κατασκευάσει και δοκιμάσει έναν βελτιστοποιημένο εναλλάκτη θερμότητας σωλήνα-σε-σωλήνα. Η ογκομετρική πυκνότητα ισχύος του βελτιστοποιημένου εναλλάκτη θερμότητας είναι περίπου υψηλότερη από εκείνη του τρέχοντος εμπορικού εξοπλισμού σωλήνων σε σωλήνες. 20 φορές" ;.

▲ Η εσωτερική δομή και το περιβάλλον σύστημα του εναλλάκτη θερμότητας, η εικόνα προέρχεται από το Πανεπιστήμιο του Ιλινόις

Αυτή η έρευνα έχει δημοσιευτεί στο έγγραφο" Εξαιρετικά πυκνή ανάπτυξη εναλλάκτη θερμότητας μέσω σχεδιασμού γενετικού αλγορίθμου και κατασκευής προσθέτων" ;. Συγγραφόταν από τους Hyunkyu Moon, Davis McGregor, Nenad Miljkovic και William King.