3D printing optimizira dizajn izmenioca toplote, a performanse su povećane za 20 puta

22. septembra 2021, Univerzitet Illinois je koristio tehnologiju 3D štampanja za proizvodnju nove generacije ultra-malih izmeniča toplote, do postizanja poboljšanja performansi do 2000%.

Kako bi dizajnirali inovativne geometrijske oblike, inženjeri su razvili trodimenzionalni softver za dizajn izmijenjivača topline s topologijskom optimizacijom. Ovaj softver je posebno dizajniran za optimiziranje postojećih dizajna izmijenjača topline kako bi se maksimizirao prijenos topline, a da bi se minimizirao dio težine, što može značajno uticati na industrije kao što su energija, elektronika i aerosvemir.

William King, profesor mašinske nauke i inženjeringa, izjavio je: "Razvili smo softver za optimizaciju oblika za dizajniranje izmeniča toplote visokih performansi. Softver nam omogućava da identifikujemo 3D dizajne koji se znatno razlikuju od tradicionalnih dizajna i bolji su."

△Sajam optimizovanog 3D štampanog izmenioca toplote, slika dolazi sa Univerziteta u Ilinoisu

Nužnost Optimalnog dizajna izmijenivača topline

Izmenivač toplote se uglavnom koristi za prenos toplotne energije od tačke A do tačke B. Oni su veoma važni u mnogim industrijama, i gotovo svim složenim sistemima koji stvaraju izmeniče toplotne upotrebe. Uključujući sisteme proizvodnje energije, transport, preradu nafte i gasa, desalinaciju vode i termo upravljanje potrošačke elektronike.

Trenutno u svijetu postoje milijuni izmjeđivača topline, a njihova izvedba i efikasnost su vrlo važni za smanjenje emisija ugljika. Ljudima su potrebni izmeniči toplote visoke površine da bi promovisali efektivnu disipaciju toplote, a takođe su kompaktni i lagani. U nekim industrijama kao što je aerospace, veličina i kvalitet komponenti imaju direktan utjecaj na performanse, opseg i cijenu sistema.

U proteklih nekoliko decenija dizajn izmenioca toplote se nije mnogo promenio. Uglavnom ograničen tradicionalnom proizvodnom tehnologijom, nije u mogućnosti proizvoditi složene strukture, kao što je optimiziranje unutrašnjih kanala za protok topline. Međutim, razvojem tehnologije metalnog 3D štampanja, 3D dizajni izmijenjivača topline koji su se ranije smatrali nemogućim mogu se lako proizveti. Sve što je potrebno je specijalizirani softverski alat za dizajniranje novih i učinkovitijih uređaja.

Optimizovani izmenič toplote cevi u cevi

Razvojni tim je koristio trodimenzionalni dizajnerski softver za razvoj posebne vrste izmenioca toplote zvanog izmenivač cevi, koji se često koristi u sistemima za vodu za piće i izgradnji energetskih sistema. Karakteristika izmijenjivača cijevi je da je unutrašnja cijev ugnežnjena u cijev. Također su postavili skup integrisanih peraja unutar cijevi pri dizajniranju, što je interna funkcija dizajna koja se može postići samo tehnologijom 3D štampanja.

Nakon finaliziranja dizajna, inženjeri su štampali izmenivač toplote sa AlSi10Mg i vršili testove performansi u laboratorijskom okruženju. Jačina snage 3D štampanog izmeniča toplote je 26,6 vata/kubnog centimetra, a specifična snaga je 15,7 kW/kg, što je oko 20 puta više od sličnih komercijalnih izmeniča toplote.

Nenad Miljković, doc. profesor Odsjeka za mašinsku nauku i inženjerstvo, izjavio je: "Osmislili smo, proizveli, i testirali optimizovani izmenivač toplote u cevima. Volumenska jačina snage optimiziranog izmenioca toplote je približno višu od one trenutno najmodernije komercijalne opreme za cevi. 20 puta".

-Unutrašnja struktura i okolni sistem izmenioca toplote, slika dolazi sa Univerziteta u Ilinoisu

Ovo istraživanje je objavljeno u novinama "Ultra-power-dense heat exchanger development through genetic algorithm design and additive manufacturing". U koautorijama su bili Hyunkyu Moon, Davis McGregor, Nenad Miljković i William King.