Verbeteren van warmtewisselaarmodellen met additieve fabricage

Vooruitgang in additieve fabricage maakt plotseling nieuwe onderdeelontwerpen mogelijk waarvan we altijd hebben aangenomen dat ze op een bepaalde manier moesten worden gedaan. Neem de warmtewisselaar, een veelgebruikt industrieel onderdeel in allerlei soorten machines die al sinds de industriële revolutie bestaan.

De essentiële functie van een warmtewisselaar is om warmte van de ene plaats naar de andere te verplaatsen, meestal door vloeistofstroom (gassen of vloeistoffen) door een machine. Ze worden gebruikt in bijna elke industriële toepassing, woning en overal waar warme en koude zaken van belang zijn:koelkasten, ovens, AC-systemen, transport, olieraffinaderijen, commerciële omgevingen, ziekenhuizen en meer. De wereldwijde vraag naar warmtewisselaars zal tegen 2020 naar verwachting $ 78,16 miljard naderen.

De uitdaging om warmtewisselaars efficiënter te maken, heeft industriële ingenieurs lang geplaagd. Een typische warmtewisselaar is gemaakt van metaal en heeft een rechthoekige architectuur die bestaat uit rechte hoeken, rechte lijnen en stapels. Dit zijn de soorten vormen die het gemakkelijkst kunnen worden vervaardigd met behulp van traditionele technieken, maar het zijn niet de beste vormen om de warmte-uitwisseling in een kleine ruimte te maximaliseren.

Het blijkt dat er een manier is om warmtewisselaars efficiënter, lichter en goedkoper - en effectiever dan ooit tevoren - te maken met behulp van additive manufacturing. Bill King, Chief Science Officer van Fast Radius, leidde onlangs een onderzoeksproject aan de Universiteit van Illinois, waar hij hoogleraar werktuigbouwkunde is en innovatief onderzoek leidt naar technische paradigma's. Het project, en het daaropvolgende artikel dat King co-auteur was, laat zien hoe delen van warmtewisselaars kunnen worden gemaakt met behulp van additieve fabricage, met aanzienlijke verbeteringen ten opzichte van traditionele warmtewisselaars.

In deze Q&A geeft King zijn inzicht in waarom additive manufacturing precies een verbetering is ten opzichte van het traditionele model van een warmtewisselaar en waarom deze innovatie zo opwindend is voor de productie in het algemeen.

Wat waren de beperkingen van traditionele warmtewisselaars?

De meeste mensen kennen wel hoe een autoradiator eruitziet:een rij buizen met een groot aantal dunne metalen vinnen. Het is een grote, blokvormige vorm, eigenlijk een rechthoek. De meeste ingenieurs zullen erkennen dat nieuwe geometrieën van warmtewisselaars de prestaties zouden verbeteren, maar het was tot nu toe nooit mogelijk om deze te bereiken.

In de meeste ontwerpen hebben de componenten van de warmtewisselaar relatief eenvoudige geometrieën. Vloeistofdoorgangen zijn meestal recht en glad. Deze rechte, gladde doorgangen hebben normaal gesproken een lagere warmteoverdracht in vergelijking met doorgangen die bochtig en gevormd zijn. Maar helaas kunnen bochtige en geprofileerde passages niet worden gemaakt met behulp van traditionele productietechnologieën.

In sommige van deze rechthoekige ontwerpen kan een verdeelstuk de vloeistofstroom in de machine sturen, waardoor deze naar gebieden met hoge of lage temperatuur stroomt - de gebieden die bedoeld zijn voor warmtestroom. Meestal worden deze verdeelstukken gemaakt als afzonderlijke, afzonderlijke componenten. Wanneer componenten afzonderlijk worden gemaakt en vervolgens worden geassembleerd, zijn er extra kosten en arbeid verbonden aan montage en kwaliteitscontroles.

Foto's van gefabriceerde spruitstukken. (a) Algemene vorm van het verdeelstuk. Vooraanzichten van verdeelinrichtingen (b) zonder statische mengers en (c) met mengers. (d) Schema in zijaanzicht van statische mengers met geïntegreerde verdelers.

Wat is er mogelijk voor warmtewisselaars die gebruik maken van additieve fabricage?

Met additieve fabricage kunt u de beschikbare "witte ruimte" benutten door warmtewisselaars in verschillende vormen te maken die een voordeel hebben op het gebied van energie-efficiëntie, systeemprestaties en de mogelijkheid om grotere hoeveelheden warmte te verplaatsen met kleinere hoeveelheden vloeistof.

In het onderzoek kozen we een gemeenschappelijke warmtewisselaararchitectuur - een horizontale verwarmde plaat met een zeer eenvoudige geometrie waar water overheen stroomt om warmte af te voeren. Het is een van de eenvoudigste configuraties voor een warmtewisselaar. Met behulp van additive manufacturing hebben we het verdeelstuk, het onderdeel dat de vloeistofstroom regelt, gemaakt van additief vervaardigd polymeer. We hebben onze ontwerpen getest met behulp van verschillende technologieën en materialen. Een bijzonder succesvol ontwerp is gemaakt met behulp van Carbon Digital Light Synthesis en Cyanate Ester, omdat dat materiaal zo hittebestendig is. De resulterende warmtewisselaar maakt gebruik van mengstructuren die ervoor zorgen dat een koude vloeistof de warmte efficiënt van een hete plaat verwijdert.

Rechthoekige gedraaide tapemixer gemaakt met Carbon Digital Light Synthesis en Cyanate Ester

Polymeer heeft een veel lagere thermische geleidbaarheid dan metaal, dus je zou geen polymeer gebruiken voor het onderdeel dat warmte moet transporteren. Maar met additive manufacturing kunt u de mixers direct in de stroomkanalen fabriceren en vervolgens op de verwarmde plaat monteren. We hebben twee soorten mengstructuren geanalyseerd:gedraaide bandstructuren zoals conventionele statische mixers en een nieuwe, chevronvormige offset-vleugelstructuur.

Afbeeldingen van gefabriceerde apparaten; (a) rechthoekig kanaal zonder statische mixers (gewoon kanaal); (b) mixers met gedraaide band met rechthoekige kanalen; en (c) rechthoekig kanaal met chevron mixers.

Wat heb je geconcludeerd?

We hebben met succes aanzienlijke verbeteringen in de prestaties van de warmtewisselaar kunnen aantonen, waardoor de energie-efficiëntie van producten en gereedschappen die zijn gemaakt met behulp van additief vervaardigde ontwerpen, is verbeterd. Over het algemeen zagen we ongeveer een 2x verbetering van de warmteoverdrachtsprestaties in aanwezigheid van de mengstructuren die zijn geproduceerd met additieve fabricage. Dit is een groot probleem in een systeem waarbij het uw doel is om zoveel mogelijk warmte te verwijderen. Het is twee keer zo warm.

In een ander type industriële situatie, waar het uw doel zou kunnen zijn om de warmte-uitwisseling te maximaliseren en tegelijkertijd de afmetingen van het apparaat te minimaliseren — bijvoorbeeld bij het ontwerpen van een prestatiegerichte auto waarbij de grootte en het gewicht van het voertuig de prestaties beïnvloeden — kunt u de grootte van de warmtewisselaar omlaag om het gewenste resultaat te bereiken. Additive manufacturing maakt dit soort maatwerk zeer flexibel voor toepassingsspecifieke doeleinden.

Door gebruik te maken van deze nieuwe geometrieën, kunnen grote vorderingen worden gemaakt bij de fabricage van alle soorten machines en apparaten. Ons onderzoek zal ertoe bijdragen dat deze resultaten in handen komen van ingenieurs over de hele wereld, die nieuwe technieken kunnen benutten die een grotere warmteoverdracht mogelijk maken. Het is erg spannend.

Klaar om uw onderdelen te maken met Fast Radius?