Инженеры используют технологию 3D-печати, чтобы повысить производительность теплообменника на 2000 %

Шорт-листы премии 3D Printing Industry Awards 2021 открыты для голосования до 20 октября. Отдайте свои голоса здесь.

Команда исследователей из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн использовала технологию 3D-печати для создания ультракомпактного теплообменника нового поколения, добившись увеличения производительности до 2000%.

Чтобы реализовать новую геометрию, инженеры разработали собственное специальное программное обеспечение для трехмерного проектирования теплообменников с функцией оптимизации топологии. Программа разработана специально для оптимизации существующих конструкций теплообменников для максимизации теплопередачи при минимизации веса детали, что может иметь серьезные последствия для таких отраслей, как энергетика, электроника и аэрокосмическая промышленность.

«Мы разработали программное обеспечение для оптимизации формы, чтобы спроектировать высокопроизводительный теплообменник», — объясняет Уильям Кинг, профессор механических наук и инженерии и один из руководителей исследования. «Программное обеспечение позволяет нам идентифицировать 3D-проекты, которые существенно отличаются от традиционных проектов и превосходят их».

Необходимость продвижения теплообменников

Теплообменники просто используются для передачи тепловой энергии из точки А в точку Б. Они имеют решающее значение в большинстве крупных отраслей промышленности и присутствуют практически в каждой сложной системе, генерирующей тепло. Сюда входят системы производства электроэнергии, транспорт, переработка нефти и газа, опреснение воды и управление температурным режимом для бытовой электроники.

Сегодня в мире используются миллионы теплообменников, поэтому их производительность и эффективность стали более важными, чем когда-либо, когда речь идет о глобальной устойчивости и снижении энергопотребления. Нам нужны устройства с большой площадью поверхности, которые обеспечивают эффективный тепловой поток, будучи при этом компактными и легкими. В некоторых отраслях, например в аэрокосмической отрасли, такое сочетание особенно важно, поскольку размер и масса детали напрямую влияют на производительность, дальность действия и стоимость системы.

К сожалению, по мнению исследователей из Иллинойса, конструкция теплообменников не сильно изменилась за последние несколько десятилетий. Ограниченные традиционными производственными технологиями, мы не смогли интегрировать сложные конструкции, такие как внутренние каналы, оптимизирующие тепловой поток. Однако теперь, когда 3D-печать металлом стала жизнеспособным вариантом, можно с легкостью изготовить 3D-конструкции теплообменников, которые раньше считались невозможными. Все, что было необходимо, — это специальный программный инструмент для разработки новых, более эффективных устройств.

Оптимизированный теплообменник «труба в трубе».

Используя свое программное обеспечение для 3D-проектирования, команда изучила особый тип теплообменника, называемый теплообменником «труба в трубе», который часто встречается в системах питьевого водоснабжения и энергетических системах зданий. Как следует из названия, теплообменники «труба в трубке» имеют внутреннюю трубку, вложенную во внешнюю трубку. Конструкция Illinois также имела набор встроенных ребер внутри трубок — внутренняя конструктивная особенность, ставшая возможной только благодаря технологии 3D-печати.

После того как оптимизированная конструкция была завершена, инженеры напечатали теплообменник из AlSi10Mg и протестировали его производительность в лабораторных условиях. Было обнаружено, что устройство имеет плотность мощности 26,6 Вт/см3 и удельную мощность 15,7 кВт/кг, что, как сообщается, примерно в 20 раз выше, чем у сопоставимых коммерческих теплообменников.

«Мы спроектировали, изготовили и протестировали оптимизированный теплообменник «труба в трубе», — сказал Ненад Милькович, доцент кафедры механических наук и инженерии и один из руководителей исследования. «Наш оптимизированный теплообменник имеет примерно в 20 раз большую объемную плотность мощности, чем современные коммерческие устройства типа «труба в трубе».

Более подробную информацию об исследовании можно найти в статье под названием «Разработка сверхмощного теплообменника посредством разработки генетических алгоритмов и аддитивного производства». Его соавторами являются Хюнкю Мун, Дэвис МакГрегор, Ненад Милькович и Уильям Кинг.

Ранее в этом месяце исследователи из Университета RMIT в Австралии разработали набор 3D-печатных теплообменников нового поколения, работающих на реактивном топливе. Катализаторы, напечатанные на 3D-принтере, как их называют, представляют собой металлические теплообменники, покрытые синтетическими минералами, известными как цеолиты. Используя реактивное топливо в качестве охлаждающей жидкости, они могут стать ключом к решению одной из самых больших проблем гиперзвуковых полетов: перегрева.