3D-печать оптимизирует конструкцию теплообменника, а производительность увеличивается в 20 раз

22 сентября 2021 года Университет Иллинойса использовал технологию 3D-печати для производства сверхмалых теплообменников следующего поколения, достигнув повышения производительности до 2000%.

Для проектирования инновационных геометрических форм инженеры разработали программное обеспечение для трехмерного проектирования теплообменников с оптимизацией топологии. Это программное обеспечение специально разработано для оптимизации существующих конструкций теплообменников с целью максимального увеличения теплопередачи при минимальном весе деталей, что может оказать значительное влияние на такие отрасли, как энергетика, электроника и авиакосмическая промышленность.

Уильям Кинг, профессор механики и инженерии, сказал:" Мы разработали программное обеспечение для оптимизации формы для проектирования высокоэффективных теплообменников. Программное обеспечение позволяет нам определять 3D-проекты, которые значительно отличаются от традиционных и лучше."

△ Рендеринг оптимизированного теплообменника, напечатанного на 3D-принтере, изображение предоставлено Университетом Иллинойса.

Необходимость оптимальной конструкции теплообменника

Теплообменник в основном используется для передачи тепловой энергии из точки А в точку Б. Они очень важны во многих отраслях промышленности, и почти все сложные системы, вырабатывающие тепло, используют теплообменники. Включая системы производства электроэнергии, транспорта, переработки нефти и газа, опреснения воды и управления температурным режимом бытовой электроники.

В настоящее время во всем мире используются миллионы теплообменников, и их производительность и эффективность очень важны для сокращения выбросов углерода. Людям нужны теплообменники с большой площадью поверхности для эффективного отвода тепла, при этом они должны быть компактными и легкими. В некоторых отраслях, таких как аэрокосмическая, размер и качество компонентов напрямую влияют на производительность, объем и стоимость системы.

За последние несколько десятилетий конструкция теплообменника сильно не изменилась. В основном ограниченный традиционной производственной технологией, он не может изготавливать сложные конструкции, такие как оптимизация внутренних каналов для теплового потока. Однако с развитием технологии 3D-печати металлом можно легко изготавливать конструкции теплообменников 3D, которые ранее считались невозможными. Все, что требуется, - это специализированный программный инструмент для разработки новых и более эффективных устройств.

Оптимизированный теплообменник типа труба в трубе

Команда разработчиков использовала программное обеспечение для трехмерного проектирования, чтобы разработать специальный тип теплообменника, называемый трубчатым теплообменником, который часто используется в системах питьевой воды и энергосистемах зданий. Отличительной особенностью теплообменника «труба в трубе» является то, что внутренняя труба вставлена ​​во внешнюю трубу. Они также установили набор интегрированных ребер внутри трубы при проектировании, что является внутренней конструктивной особенностью, которая может быть достигнута только с помощью технологии 3D-печати.

После завершения проектирования инженеры напечатали теплообменник из AlSi10Mg и провели испытания производительности в лабораторных условиях. Плотность мощности теплообменника, напечатанного на 3D-принтере, составляет 26,6 Вт / кубический сантиметр, а удельная мощность составляет 15,7 кВт / кг, что примерно в 20 раз выше, чем у аналогичных коммерческих теплообменников.

Ненад Милькович, доцент кафедры механики и инженерии, сказал:" Мы спроектировали, изготовили и испытали оптимизированный теплообменник типа "труба в трубе". Объемная плотность мощности оптимизированного теплообменника примерно выше, чем у современного современного коммерческого оборудования «труба в трубе». 20 раз" ;.

▲ Внутренняя структура и окружающая система теплообменника, изображение получено из Университета Иллинойса.

Это исследование было опубликовано в статье" Разработка сверхмощных и плотных теплообменников посредством разработки генетических алгоритмов и аддитивного производства" ;. Соавторами его стали Хюнкью Мун, Дэвис МакГрегор, Ненад Милькович и Уильям Кинг.