Новости

В США инженеры повысили производительность теплообменника на 2000%

22 Сентябрь, 2021

2969

Команда исследователей из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне использовала технологию 3D-печати для создания сверхкомпактного теплообменника следующего поколения, повышающего производительность на 2000%.

Американским исследователям удалось модернизацировать геометрию теплообменника, напечатав его прототип на 3D-принтере. Инженеры разработали собственное специальное программное обеспечение для трехмерного проектирования теплообменников с функцией топологической оптимизации. Программа, разработанная специально для оптимизации существующих конструкций теплообменников для максимального увеличения теплопередачи при минимальном весе деталей, может иметь широкое применение в таких отраслях, как энергетика, электроника и аэрокосмическая промышленность.

«Мы разработали программное обеспечение для оптимизации формы, чтобы спроектировать высокоэффективный теплообменник», — отмечает Уильям Кинг, профессор механических наук и инженерии, руководитель исследования. «Программное обеспечение позволяет нам идентифицировать 3D-проекты, которые имеют значительные преимущества перед другими».

Визуализация прототипа теплообменника, напечатанного на 3D-принтере.

Необходимость модернизации теплообменников

Теплообменники просто используются для передачи тепловой энергии из точки А в точку Б. Они имеют решающее значение в большинстве крупных отраслей промышленности и присутствуют почти в каждой сложной системе, генерирующей тепло. Сюда входят системы производства электроэнергии, транспорта, переработки нефти и газа, опреснения воды и управления температурным режимом для бытовой электроники.
Сегодня в мире используются миллионы теплообменников, и их производительность и эффективность стали важнее, чем когда-либо, когда речь идет о глобальной устойчивости и сокращении потребления энергии. Нам нужны устройства с большой площадью поверхности, которые способствуют эффективному тепловому потоку, а также являются компактными и легкими. В некоторых отраслях, например в аэрокосмической, эта комбинация особенно важна, поскольку размер и масса детали напрямую влияют на производительность системы, дальность действия и стоимость.

К сожалению, по мнению исследователей из Иллинойса, конструкции теплообменников не сильно изменились за последние несколько десятилетий. Ограниченные традиционными производственными технологиями, мы не смогли интегрировать сложные конструкции, такие как внутренние каналы, которые оптимизируют тепловой поток. Однако с учетом того, что 3D-печать металлом теперь является жизнеспособным вариантом, конструкции теплообменников 3D, которые ранее считались невозможными, могут быть легко изготовлены. Все, что требовалось, — это специальный программный инструмент для разработки новых, более эффективных устройств.

Модернизированный теплообменник типа труба в трубе

Используя свое программное обеспечение для трехмерного проектирования, команда исследовала особый тип теплообменника, называемый теплообменником «труба в трубе», который часто используется в системах питьевой воды и энергосистемах зданий. Как следует из названия, теплообменники типа «труба в трубе» имеют внутреннюю трубу, вложенную во внешнюю трубу. Дизайн также имел набор интегрированных ребер на внутренней стороне трубок — внутренняя особенность дизайна стала возможной только благодаря технологии 3D-печати.

После завершения оптимизированной конструкции инженеры напечатали теплообменник с использованием алюминиевого сплава AlSi10Mg и проверили его производительность в лабораторных условиях. Установлено, что устройство имеет удельную мощность 26,6 Вт / см3 и удельную мощность 15,7 кВт / кг, что примерно в 20 раз выше, чем у сопоставимых коммерческих теплообменников.

«Мы спроектировали, изготовили и испытали оптимизированный теплообменник« труба в трубе », — отметил Ненад Милькович, доцент кафедры механики и инженерии и руководитель исследования. «Наш оптимизированный теплообменник имеет примерно в 20 раз большую объемную удельную мощность, чем другие аналогичные устройства «труба в трубе».

Внутренняя структура теплообменника и окружающие системы.

Дальнейшие подробности исследования можно найти в статье под названием «Разработка теплообменников сверхмощной и высокой плотности с помощью разработки генетических алгоритмов и аддитивного производства». Соавторами его являются Хюнкью Мун, Дэвис МакГрегор, Ненад Милькович и Уильям Кинг.

Ранее в этом месяце исследователи из Университета RMIT в Австралии разработали набор теплообменников нового поколения, напечатанных на 3D-принтере, работающих на авиационном топливе. Катализаторы, напечатанные на 3D-принтере, представляют собой металлические теплообменники, покрытые синтетическими минералами, известными как цеолиты. Используя реактивное топливо в качестве охлаждающей жидкости, они могут стать ключом к решению одной из самых серьезных проблем гиперзвуковых полетов: перегреву.

Другая американская компания GE Research, научно-исследовательское подразделение американского конгломерата GE, недавно успешно испытала свой новый прототип теплообменника, напечатанный на 3D-принтере, при температурах до 900 ° C. Разработанное совместно с Университетом Мэриленда и Национальной лабораторией Ок-Ридж (ORNL), устройство терморегуляции подшкалы GE Research имеет уникальную геометрию, напоминающую виноград, которая обеспечивает его устойчивость к экстремальным температурам и давлению.

Kubi Sertoglu имеет ученую степень в области машиностроения, сочетая в себе любовь к писательству с техническим опытом, чтобы доставлять последние новости и обзоры в аддитивном производстве.