3D tisk optimalizuje návrh výměníku tepla a výkon se zvyšuje 20krát

22. září 2021 použila University of Illinois technologii 3D tisku k výrobě nové generace ultra malých výměníků tepla a dosáhla zlepšení výkonu až o 2000%.

Za účelem návrhu inovativních geometrických tvarů vyvinuli inženýři trojrozměrný software pro návrh výměníku tepla s optimalizací topologie. Tento software je speciálně navržen tak, aby optimalizoval stávající návrhy výměníků tepla pro maximalizaci přenosu tepla a zároveň minimalizoval hmotnost dílu, což může mít významný dopad na průmyslová odvětví, jako je energetika, elektronika a letecký průmysl.

William King, profesor strojní vědy a inženýrství, řekl: "Vyvinuli jsme software pro optimalizaci tvarů pro návrh vysoce výkonných výměníků tepla. Tento software nám umožňuje identifikovat 3D návrhy, které se výrazně liší od tradičních návrhů a jsou lepší."

△Vykreslení optimalizovaného 3D tištěného výměníku tepla, obraz pochází z University of Illinois

Nutnost optimálního návrhu výměníku tepla

Výměník tepla se používá hlavně k přenosu tepelné energie z bodu A do bodu B. Jsou velmi důležité v mnoha průmyslových odvětvích a téměř všechny složité systémy, které vyrábějí výměníky tepla. Včetně systémů výroby energie, dopravy, zpracování ropy a zemního plynu, odsolování vody a tepelného řízení spotřební elektroniky.

V současné době se po celém světě používají miliony výměníků tepla a jejich výkon a účinnost jsou velmi důležité pro snížení emisí uhlíku. Lidé potřebují výměníky tepla s vysokou plochou povrchu, aby podpořili efektivní odvod tepla a zároveň byli kompaktní a lehké. V některých průmyslových odvětvích, jako je letecký průmysl, má velikost a kvalita komponent přímý dopad na výkon, rozsah a náklady systému.

V posledních několika desetiletích se konstrukce výměníku tepla příliš nezměnila. Je omezen především tradiční výrobní technologií a není schopen vyrábět složité konstrukce, jako je optimalizace vnitřních kanálů pro tok tepla. S rozvojem technologie kovového 3D tisku však lze snadno vyrobit návrhy 3D výměníků tepla, které byly dříve považovány za nemožné. Vše, co je potřeba, je specializovaný softwarový nástroj pro navrhování nových a efektivnějších zařízení.

Optimalizovaný výměník tepla tube-in-tube

Vývojový tým použil trojrozměrný návrhový software k vývoji speciálního typu výměníku tepla nazývaného výměník trubek v trubici, který se často používá v systémech pitné vody a budování energetických systémů. Charakteristickým rysem výměníku trubek ve zkumavce je, že vnitřní trubka je vnořena do vnější trubice. Při navrhování také vytvořili sadu integrovaných žeber uvnitř trubky, což je funkce vnitřního designu, které lze dosáhnout pouze technologií 3D tisku.

Po dokončení návrhu inženýři vytiskli výměník tepla s AlSi10Mg a provedli testy výkonu v laboratorním prostředí. Hustota výkonu 3D tištěného výměníku tepla je 26,6 wattů / kubický centimetr a specifický výkon je 15,7 kW / kg, což je asi 20krát vyšší než podobné komerční výměníky tepla.

Nenad Miljkovic, docent katedry strojní vědy a inženýrství, řekl: "Navrhli jsme, vyrobili a otestovali optimalizovaný výměník tepla v trubici. Objemová hustota výkonu optimalizovaného výměníku tepla je přibližně vyšší než u současného nejmodernějšího komerčního zařízení trubek v trubici. 20krát".

▲Vnitřní struktura a okolní systém výměníku tepla, obraz pochází z University of Illinois

Tento výzkum byl publikován v článku "Vývoj vysoce výkonného výměníku tepla prostřednictvím návrhu genetického algoritmu a aditivní výroby". Spoluautorem byli Hyunkyu Moon, Davis McGregor, Nenad Miljkovic a William King.