3D tiskanje optimizira zasnovo toplotnega izmenjevalnika, zmogljivost pa se poveča za 20 -krat

22. septembra 2021 je Univerza v Illinoisu s tehnologijo 3D tiskanja izdelala naslednjo generacijo ultra majhnih toplotnih izmenjevalcev, s čimer je dosegla izboljšanje zmogljivosti do 2000%.

Za oblikovanje inovativnih geometrijskih oblik so inženirji razvili tridimenzionalno programsko opremo za oblikovanje toplotnega izmenjevalnika s optimizacijo topologije. Ta programska oprema je posebej zasnovana za optimizacijo obstoječih modelov toplotnih izmenjevalnikov za čim večji prenos toplote in hkrati zmanjšanje teže delcev, kar lahko pomembno vpliva na industrije, kot so energija, elektronika in vesoljska industrija.

William King, profesor strojništva in inženiringa, je dejal:" Razvili smo programsko opremo za optimizacijo oblike za oblikovanje visoko zmogljivih toplotnih izmenjevalcev. Programska oprema nam omogoča prepoznavanje 3D modelov, ki se bistveno razlikujejo od tradicionalnih modelov in so boljši."

Upodobitev optimiziranega 3D tiskanega toplotnega izmenjevalnika, slika prihaja z Univerze v Illinoisu

Nujnost optimalne zasnove toplotnega izmenjevalnika

Toplotni izmenjevalnik se večinoma uporablja za prenos toplotne energije od točke A do točke B. So zelo pomembni v mnogih panogah in skoraj vseh zapletenih sistemih, ki proizvajajo toplotne izmenjevalnike. Vključno s sistemi za proizvodnjo električne energije, transportom, predelavo nafte in plina, razsoljevanjem vode in toplotnim upravljanjem potrošniške elektronike.

Trenutno je po vsem svetu v uporabi na milijone toplotnih izmenjevalcev, njihova zmogljivost in učinkovitost pa sta zelo pomembni za zmanjšanje emisij ogljika. Ljudje potrebujejo toplotne izmenjevalce z veliko površino, da spodbujajo učinkovito odvajanje toplote, hkrati pa so kompaktni in lahki. V nekaterih panogah, kot je vesoljska, imata velikost in kakovost komponent neposreden vpliv na zmogljivost, obseg in stroške sistema.

V zadnjih nekaj desetletjih se zasnova toplotnega izmenjevalca ni bistveno spremenila. V glavnem omejen s tradicionalno proizvodno tehnologijo, ne more izdelati kompleksnih struktur, kot je optimizacija notranjih kanalov za toplotni tok. Vendar pa je z razvojem tehnologije 3D tiskanja na kovine mogoče enostavno izdelati modele 3D toplotnih izmenjevalnikov, ki so prej veljali za nemogoče. Vse, kar potrebujete, je specializirano programsko orodje za oblikovanje novih in učinkovitejših naprav.

Optimiziran toplotni izmenjevalec cev v cevi

Razvojna ekipa je s tridimenzionalno programsko opremo za oblikovanje razvila posebno vrsto toplotnega izmenjevalnika, imenovanega cevni izmenjevalec v cevi, ki se pogosto uporablja v sistemih pitne vode in energetskih sistemih za gradnjo. Značilnost izmenjevalnika cev v cevi je, da je notranja cev nameščena v zunanji cevi. Pri načrtovanju so znotraj cevi postavili tudi niz integriranih plavuti, kar je notranja oblikovalska funkcija, ki jo je mogoče doseči le s tehnologijo 3D tiskanja.

Po dokončani zasnovi so inženirji natisnili izmenjevalnik toplote z AlSi10Mg in izvedli preskuse delovanja v laboratorijskem okolju. Gostota moči 3D tiskanega izmenjevalnika toplote je 26,6 vatov/kubični centimeter, specifična moč pa 15,7 kW/kg, kar je približno 20 -krat večja od podobnih komercialnih toplotnih izmenjevalcev.

Nenad Miljković, izredni profesor Oddelka za strojništvo in inženiring, je dejal:" Oblikovali smo, izdelali in preizkusili optimiziran toplotni izmenjevalec v cevi. Volumetrična gostota moči optimiziranega izmenjevalnika toplote je približno večja kot pri sedanji najsodobnejši komercialni opremi cev v cevi. 20 -krat&".

▲ Notranja struktura in okoliški sistem toplotnega izmenjevalca, slika prihaja z Univerze v Illinoisu

Ta raziskava je bila objavljena v prispevku&"Razvoj toplotnega izmenjevalnika z visoko močjo z oblikovanjem genetskega algoritma in proizvodnjo dodatkov [GG". Soavtorji so bili Hyunkyu Moon, Davis McGregor, Nenad Miljkovic in William King.