Warmtewisselaar-ontwerp revolutioneren door additieve productie

Voortgang in additieve productie maakt plotseling nieuwe onderdeelontwerpen mogelijk die we altijd voor gegaan hebben op een bepaalde manier moesten worden gedaan. Neem de warmtewisselaar, een veelvoorkomend industrieel component in machines van alle typen dat er is sinds de industriële revolutie.

De essentiële functie van een warmtewisselaar is om warmte van de ene plek naar de andere te verplaatsen, meestal door vloeistofstroming (gassen of vloeistoffen) door een stuk machine. Ze worden gebruikt in bijna elke industriële toepassing, woning en overal waar warm en koud van belang is: koelkasten, ovens, AC-systemen, transport, olieraffinaderijen, commerciële omgevingen, ziekenhuizen en meer. De wereldwijde vraag naar warmtewisselaars wordt verwacht te nadelen tot US$78,16 miljard tegen 2020.

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

Het blijkt dat er een manier is om warmtewisselaars efficiënter, lichter en goedkoper te maken – en effectiever dan ooit – met behulp van additieve productie. Fast Radius' Chief Science Officer, Bill King, leidde recent een onderzoeksproject aan de Universiteit van Illinois, waar hij Hoogleraar Mechanische Engineering is en innovatief onderzoek leidt in engineering paradigma's. Het project, en het daaropvolgende papier dat King co-auteur was, demonstreert hoe onderdelen van warmtewisselaars gemaakt kunnen worden met additieve productie, met significante verbeteringen ten opzichte van traditionele warmtewisselaars.

In deze Q&A deelt King zijn inzicht in precies waarom additieve productie verbetert op het traditionele model van een warmtewisselaar en waarom deze innovatie zo opwindend is voor productie in het algemeen.

Wat zijn de beperkingen van traditionele warmtewisselaars geweest?

De meeste mensen zijn bekend met hoe een autoradiator eruitziet: een bank van buizen met een groot aantal dunne metalen vinnen. Het is een grote, blokkige vorm, basis een rechthoek. De meeste ingenieurs zullen erkennen dat nieuwe geometrieën van warmtewisselaars de prestaties zouden verbeteren, maar het is nooit mogelijk geweest om ze te bereiken tot nu toe.

In de meeste ontwerpen hebben de componenten van de warmtewisselaar relatief simpele geometrieën. Vloeistofpassages zijn meestal recht en glad. Deze rechte, gladde passages hebben normaliter lagere warmteoverdracht vergeleken met passages die wriggelen en gecontoureerd zijn. Maar helaas, wriggelerende en gecontoureerde passages kunnen niet gemaakt worden met traditionele productietechnologieën.

In sommige van deze rechthoekige ontwerpen kan een verdeeler de stroom van vloeistof in de machine sturen, waardoor het in gebieden van hoge temperatuur of lage temperatuur stroomt – de gebieden die gericht zijn voor warmtestroom. Doorgaans worden deze verdeelers als individuele, afzonderlijke componenten gemaakt. Wanneer componenten apart gemaakt en daarna gemonteerd worden, is er extra kosten en arbeid geassocieerd met assemblage en kwaliteitscontroles.

Afbeeldingen van gefabriceerde verdeeler apparaten. (a) Algehele vorm van het verdeeler apparaat. Vooranzichten van verdeeler apparaten (b) zonder statische mengers en (c) met mengers. (d) Zijaanzicht schema van statische mengers met geïntegreerde verdeeler apparaten.

Wat is mogelijk voor warmtewisselaars met additieve productie?

Met additieve productie kunt u de beschikbare "witte ruimte" benutten door warmtewisselaars te maken in een reeks vormen die een voordeel hebben in termen van energie-efficiëntie, systeemprestaties en het vermogen om grotere hoeveelheden warmte te verplaatsen met kleinere volumes vloeistof.

In de studie kozen we een veelvoorkomende warmtewisselaar-architectuur – een horizontale verwarmde plaat met een zeer eenvoudige geometrie waar water over stroomt om warmte te verwijderen. Het is een van de eenvoudigste configuraties voor een warmtewisselaar. Met additieve productie creëerden we de verdeeler, het deel dat de vloeistofstroom controleert, van additief geproduceerd polymere. We testten onze ontwerpen met verschillende technologieën en materialen. Een bijzonder succesvol ontwerp was gemaakt met behulp van Carbon Digital Light Synthesis en Cyanate Ester, omdat dat materiaal zo hoog hittebestendig is. De resulterende warmtewisselaar gebruikt mengstructuren die ervoor zorgen dat een koude vloeistof efficiënt warmte van een hete plaat verwijdert.

Rechthoekige twisted tape menger gemaakt met Carbon Digital Light Synthesis en Cyanate Ester

Polymeer heeft een veel lagere thermische geleiding dan metaal, dus u zou polymeer niet gebruiken voor het component dat warmte moet dragen. Maar met additieve productie kunt u de mengers direct in de stroomkanalen fabriceren en ze dan monteren op de verwarmde plaat. We analyseerden twee typen mengstructuren: twisted tape structuren zoals conventionele statische mengers en een nieuwe, chevron-vormige offset vleugelstructuur.

Afbeeldingen van gefabriceerde apparaten; (a) rechthoekige kanaal zonder statische mengers (gewone kanaal); (b) rechthoekige kanaal twisted tape mengers; en (c) rechthoekige kanaal met chevron mengers.

Wat concludeerden we?

We zijn in staat geweest om significante verbeteringen in warmtewisselaarprestaties succesvol te demonstreren, de energie-efficiëntie van producten en gereedschappen te verhogen die gecreëerd zijn met additief geproduceerde ontwerpen. Over het algemeen zagen we ongeveer een 2x verbetering van warmteoverdrachtprestaties in de aanwezigheid van de mengstructuren geproduceerd met additieve productie. Dit is een groot ding in een systeem waar uw doel is om zoveel mogelijk warmte te verwijderen. Het is twee keer de warmte.

In een ander type industriële situatie, waar uw doel zou kunnen zijn om de warmte-uitwisseling te maximaliseren terwijl de grootte van het apparaat geminimaliseerd wordt – bijvoorbeeld bij het ontwerpen van een prestatie-auto waar de grootte en het gewicht van het voertuig de prestaties beïnvloeden – kunt u de grootte van de warmtewisselaar verkleinen om het gewenste resultaat te bereiken. Additieve productie maakt dit soort aanpassing heel flexibel voor toepassingsspecifieke doelen.

Het benutten van deze nieuwe geometrieën gaat grote vooruitgang in de productie van alle typen machines en apparaten mogelijk maken. Ons onderzoek zal helpen om deze resultaten in handen van ingenieurs over de hele wereld te brengen, die nieuwe technieken kunnen benutten die toestaan voor verhoogde warmteoverdracht. Het is heel opwindend.

Klaar om uw onderdelen te maken met Fast Radius?