Революция в дизайне теплообменников через аддитивное производство

Прогресс в аддитивном производстве внезапно делает возможными новые дизайны деталей, которые мы всегда считали, что должны делаться определенным образом. Возьмите теплообменник, распространенный промышленный компонент в машинах всех типов, существующий с промышленной революции.

Основная функция теплообменника — перемещать тепло из одного места в другое, обычно потоком жидкости (газов или жидкостей) через кусок механизма. Они используются почти во всех промышленных применениях, жилых домах и везде, где важны горячее и холодное: холодильники, печи, системы кондиционирования, транспорт, нефтепереработка, коммерческие среды, больницы и многое другое. Глобальный спрос на теплообменники ожидается к 2020 году в 78,16 млрд долларов США.

Проблема сделать теплообменники более эффективными давно беспокоила промышленных инженеров. Типичный теплообменник сделан из металла и имеет прямоугольную архитектуру, состоящую из прямых углов, прямых линий и стопок. Это типы форм, которые легче всего производить традиционными техниками, но они не лучшие формы для максимизации теплообмена в малом пространстве.

Оказывается, есть способ сделать теплообменники более эффективными, легкими и менее дорогими — и более эффективными, чем когда-либо — используя аддитивное производство. Главный научный сотрудник Fast Radius, Билл Кинг, недавно возглавил исследовательский проект в Университете Иллинойса, где он является профессором механического инженерии и ведет инновационные исследования в инженерных парадигмах. Проект и последующая статья, которую Кинг соавторил, демонстрируют, как части теплообменников могут быть сделаны с помощью аддитивного производства с значительными улучшениями по сравнению с традиционными теплообменниками.

В этом Q&A Кинг делится своим пониманием того, почему аддитивное производство улучшает традиционную модель теплообменника и почему эта инновация так волнует производство в целом.

Каковы были ограничения традиционных теплообменников?

Большинство людей знают, как выглядит автомобильный радиатор: банка трубок с большим количеством тонких металлических пластин. Это большой, блочный форм, в основном прямоугольник. Большинство инженеров признают, что новые геометрии теплообменников улучшили бы производительность, но никогда не было возможно их достичь — до сейчас.

В большинстве дизайнов компоненты теплообменника имеют относительно простые геометрии. Жидкостные проходы обычно прямые и гладкие. Эти прямые, гладкие проходы обычно имеют более низкий теплообмен по сравнению с извилистыми и контурированными проходами. Но, к сожалению, извилистые и контурированные проходы нельзя сделать традиционными производственными технологиями.

В некоторых из этих прямоугольных дизайнов коллектор может направлять поток жидкости в машине, заставляя его течь в области высокой или низкой температуры — области, целевые для теплового потока. Обычно эти коллекторы делаются как отдельные, раздельные компоненты. Когда компоненты делаются отдельно и затем собираются, есть дополнительные затраты и трудозатраты, связанные со сборкой и проверками качества.

Изображения изготовленных коллекторных устройств. (а) Общая форма коллекторного устройства. Фронтальные виды коллекторных устройств (б) без статических миксеров и (в) с миксерами. (г) Боковая схема статических миксеров с интегрированными коллекторными устройствами.

Что возможно для теплообменников с аддитивным производством?

С аддитивным производством вы можете использовать доступное «белое пространство», делая теплообменники в ряде форм, имеющих преимущество в терминах энергоэффективности, системной производительности и способности перемещать большие количества тепла, используя меньшие объемы жидкости.

В исследовании мы выбрали общую архитектуру теплообменника — горизонтально нагретую пластину с очень простой геометрией, через которую течет вода для удаления тепла. Это одна из самых простых конфигураций для теплообменника. Используя аддитивное производство, мы создали коллектор, деталь, управляющую потоком жидкости, из аддитивно произведенного полимера. Мы тестировали наши дизайны, используя различные технологии и материалы. Один особенно успешный дизайн был сделан с использованием Carbon Digital Light Synthesis и Цианатового эфира, потому что этот материал настолько высоко теплостойкий. Полученный теплообменник использует миксерные структуры, которые заставляют холодную жидкость эффективно удалять тепло от горячей пластины.

Прямоугольный закрученный ленточный миксер, сделанный с использованием Carbon Digital Light Synthesis и Цианатового эфира

Полимер имеет гораздо более низкую теплопроводность, чем металл, поэтому вы не используете полимер для компонента, который должен переносить тепло. Но с аддитивным производством вы можете изготовить миксеры прямо в потоковых каналах и затем собрать их на нагретую пластину. Мы проанализировали два типа миксерных структур: структуры закрученной ленты, как обычные статические миксеры, и новый, chevron-образный смещенный крылообразный структур.

Изображения изготовленных устройств; (а) прямоугольный канал без статических миксеров (обычный канал); (б) прямоугольный канал с закрученными ленточными миксерами; и (в) прямоугольный канал с chevron миксерами.

Какой вывод сделан?

Мы смогли успешно продемонстрировать значительные улучшения в производительности теплообменника, повышая энергоэффективность продуктов и инструментов, созданных с использованием аддитивно произведенных дизайнов. В целом, мы увидели около 2-кратного улучшения теплообмена в присутствии миксерных структур, произведенных аддитивным производством. Это большое дело в системе, где ваша цель — удалить как можно больше тепла. Это в два раза больше тепла.

В другом типе промышленной ситуации, где ваша цель может быть максимизация теплообмена при минимизации размера устройства — например, при проектировании высокопроизводительного автомобиля, где размер и вес машины влияют на производительность — вы могли бы уменьшить размер теплообменника для достижения желаемого результата. Аддитивное производство делает этот тип кастомизации очень гибким для целей конкретного применения.

Использование этих новых геометрий позволит крупные достижения в производстве всех типов машин и приборов. Наше исследование поможет передать эти результаты в руки инженеров по всему миру, которые могут использовать новые техники, позволяющие увеличенный теплообмен. Это очень волнительно.

Готовы сделать ваши детали с Fast Radius?

Начните расчет стоимости