Улучшение моделей теплообменников с помощью аддитивного производства

Достижения в области аддитивного производства внезапно сделали возможными новые конструкции деталей, которые, как мы всегда считали само собой разумеющимся, должны быть выполнены определенным образом. Возьмем теплообменник, распространенный промышленный компонент машин всех типов, который существует со времен промышленной революции.

Основной функцией теплообменника является перемещение тепла из одного места в другое, обычно за счет потока жидкости (газа или жидкости) через часть механизма. Они используются практически в каждом промышленном применении, в жилых домах и везде, где есть проблемы с горячим и холодным воздухом:холодильники, печи, системы кондиционирования, транспорт, нефтеперерабатывающие заводы, коммерческие помещения, больницы и многое другое. Ожидается, что к 2020 году мировой спрос на теплообменники приблизится к 78,16 млрд долларов США.

Задача повышения эффективности теплообменников уже давно беспокоит инженеров-технологов. Типичный теплообменник изготовлен из металла и имеет прямоугольную архитектуру, состоящую из прямых углов, прямых линий и стопок. Это типы форм, которые легче всего изготовить с использованием традиционных технологий, но они не являются лучшими формами для максимального теплообмена в небольшом пространстве.

Оказывается, есть способ сделать теплообменники более эффективными, легкими и менее дорогими — и более эффективными, чем когда-либо прежде, — используя аддитивное производство. Главный научный сотрудник Fast Radius Билл Кинг недавно руководил исследовательским проектом в Университете Иллинойса, где он является профессором машиностроения и руководит инновационными исследованиями инженерных парадигм. Проект и последующая статья, в соавторстве с Кингом, демонстрируют, как детали теплообменников могут быть изготовлены с использованием аддитивного производства со значительными улучшениями по сравнению с традиционными теплообменниками.

В этом вопросе и ответе Кинг делится своим мнением о том, почему аддитивное производство улучшает традиционную модель теплообменника и почему это нововведение так интересно для производства в целом.

Каковы ограничения традиционных теплообменников?

Большинству людей знакомо, как выглядит автомобильный радиатор:набор трубок с большим количеством тонких металлических ребер. Это большая блочная форма, в основном прямоугольник. Большинство инженеров признают, что новая геометрия теплообменников улучшит производительность, но до сих пор добиться этого было невозможно.

В большинстве конструкций компоненты теплообменника имеют относительно простую геометрию. Проходы жидкости обычно прямые и гладкие. Эти прямые гладкие проходы обычно имеют меньшую теплопередачу по сравнению с извилистыми и контурными проходами. Но, к сожалению, извилистые и фигурные проходы нельзя сделать по традиционным технологиям изготовления.

В некоторых из этих прямоугольных конструкций коллектор может направлять поток жидкости в машине, заставляя ее течь в области с высокой или низкой температурой — области, предназначенные для теплового потока. Как правило, эти коллекторы изготавливаются в виде отдельных, отдельных компонентов. Когда компоненты изготавливаются отдельно, а затем собираются, возникают дополнительные затраты и трудозатраты, связанные со сборкой и проверкой качества.

Изображения изготовленных коллекторных устройств. (а) Общая форма коллекторного устройства. Вид спереди коллекторных устройств (б) без статических смесителей и (в) со смесителями. (d) Схема статических смесителей со встроенным коллектором, вид сбоку.

Что возможно для теплообменников, использующих аддитивное производство?

С помощью аддитивного производства вы можете использовать доступное «белое пространство», создавая теплообменники различных форм, которые имеют преимущество с точки зрения энергоэффективности, производительности системы и способности перемещать большее количество тепла с использованием меньших объемов жидкости.

В исследовании мы выбрали общую архитектуру теплообменника — горизонтальную нагреваемую пластину с очень простой геометрией, по которой течет вода для отвода тепла. Это одна из самых простых конфигураций теплообменника. Используя аддитивное производство, мы создали коллектор, часть, которая регулирует поток жидкости, из аддитивно изготовленного полимера. Мы тестировали наши конструкции с использованием различных технологий и материалов. Один особенно успешный дизайн был сделан с использованием синтеза углеродного цифрового света и цианатного эфира, потому что этот материал очень термостойкий. В полученном теплообменнике используются смесительные структуры, благодаря которым холодная жидкость эффективно отводит тепло от горячей пластины.

Прямоугольный микшер с витой лентой, изготовленный с использованием Carbon Digital Light Synthesis и Cyanate Ester

Полимер имеет гораздо более низкую теплопроводность, чем металл, поэтому вы не будете использовать полимер для компонента, который должен переносить тепло. Но при аддитивном производстве смесители можно изготавливать непосредственно в проточных каналах, а затем монтировать их на нагреваемой пластине. Мы проанализировали два типа смесительных структур:скрученные ленточные конструкции, такие как обычные статические смесители, и новую структуру со смещенным крылом в форме шеврона.

Изображения изготовленных устройств; а — прямоугольный канал без статических смесителей (гладкий канал); б) смесители с прямоугольным каналом и витой лентой; и (c) прямоугольный канал с шевронными смесителями.

Какие выводы вы сделали?

Нам удалось успешно продемонстрировать значительные улучшения производительности теплообменников, повысив энергоэффективность продуктов и инструментов, созданных с использованием аддитивных технологий. В целом, мы увидели примерно двукратное улучшение характеристик теплопередачи при наличии смесительных структур, произведенных с помощью аддитивного производства. Это очень важно в системе, где ваша цель — отвести как можно больше тепла. Это в два раза больше тепла.

В другой промышленной ситуации, когда вашей целью может быть максимизация теплообмена при минимальных размерах устройства — например, при проектировании автомобиля с высокими характеристиками, где размер и вес транспортного средства влияют на производительность — вы можете уменьшить размер устройства. теплообменник вниз для достижения желаемого результата. Аддитивное производство делает этот тип настройки очень гибким для конкретных целей приложения.

Использование преимуществ этой новой геометрии позволит значительно продвинуться в производстве всех типов машин и устройств. Наше исследование поможет передать эти результаты в руки инженеров по всему миру, которые смогут использовать новые методы, позволяющие повысить теплопередачу. Это очень интересно.

Готовы создавать детали с помощью Fast Radius?

Начать цитату