Verbesserung von Wärmetauschermodellen durch additive Fertigung

Fortschritte in der additiven Fertigung machen plötzlich neue Teiledesigns möglich, von denen wir immer angenommen haben, dass sie auf eine bestimmte Weise ausgeführt werden müssen. Nehmen Sie den Wärmetauscher, eine gängige industrielle Komponente in Maschinen aller Art, die es seit der industriellen Revolution gibt.

Die wesentliche Funktion eines Wärmetauschers besteht darin, Wärme von einem Ort zum anderen zu transportieren, normalerweise durch einen Flüssigkeitsstrom (Gase oder Flüssigkeiten) durch ein Maschinenteil. Sie werden in fast allen industriellen Anwendungen, Haushalten und überall dort eingesetzt, wo es auf Hitze und Kälte ankommt:Kühlschränke, Öfen, Klimaanlagen, Transport, Ölraffinerien, gewerbliche Umgebungen, Krankenhäuser und mehr. Die weltweite Nachfrage nach Wärmetauschern wird bis 2020 voraussichtlich 78,16 Milliarden US-Dollar erreichen.

Die Herausforderung, Wärmetauscher effizienter zu machen, beschäftigt Industrieingenieure seit langem. Ein typischer Wärmetauscher besteht aus Metall und hat eine rechteckige Architektur, die aus rechten Winkeln, geraden Linien und Stapeln besteht. Dies sind die Arten von Formen, die am einfachsten mit traditionellen Techniken hergestellt werden können, aber sie sind nicht die besten Formen, um den Wärmeaustausch auf kleinem Raum zu maximieren.

Es stellt sich heraus, dass es eine Möglichkeit gibt, Wärmetauscher mithilfe der additiven Fertigung effizienter, leichter und kostengünstiger – und effektiver als je zuvor – zu machen. Der Chief Science Officer von Fast Radius, Bill King, leitete kürzlich ein Forschungsprojekt an der University of Illinois, wo er Professor für Maschinenbau ist und innovative Forschung zu technischen Paradigmen leitet. Das Projekt und das anschließend von King mitverfasste Papier demonstrieren, wie Teile von Wärmetauschern mithilfe der additiven Fertigung hergestellt werden können, mit erheblichen Verbesserungen gegenüber herkömmlichen Wärmetauschern.

In diesen Fragen und Antworten gibt King seinen Einblick, warum die additive Fertigung das traditionelle Modell eines Wärmetauschers verbessert und warum diese Innovation für die Fertigung im Allgemeinen so spannend ist.

Wo liegen die Grenzen herkömmlicher Wärmetauscher?

Die meisten Menschen kennen das Aussehen eines Autokühlers:ein Rohrbündel mit vielen dünnen Metalllamellen. Es ist eine große, blockartige Form, im Grunde ein Rechteck. Die meisten Ingenieure werden anerkennen, dass neue Geometrien von Wärmetauschern die Leistung verbessern würden, aber bisher war es nie möglich, sie zu erreichen.

Bei den meisten Konstruktionen haben die Komponenten des Wärmetauschers relativ einfache Geometrien. Flüssigkeitswege sind normalerweise gerade und glatt. Diese geraden, glatten Passagen haben normalerweise eine geringere Wärmeübertragung im Vergleich zu Passagen, die verwinkelt und konturiert sind. Aber leider können kurvenreiche und konturierte Passagen nicht mit traditionellen Fertigungstechnologien hergestellt werden.

Bei einigen dieser rechteckigen Konstruktionen könnte ein Verteiler den Flüssigkeitsfluss in der Maschine lenken, sodass er in Bereiche mit hoher oder niedriger Temperatur fließt – die Bereiche, die für den Wärmefluss bestimmt sind. Typischerweise werden diese Verteiler als einzelne separate Komponenten hergestellt. Wenn Komponenten separat hergestellt und dann montiert werden, entstehen zusätzliche Kosten und Arbeit im Zusammenhang mit Montage und Qualitätsprüfungen.

Bilder von hergestellten Verteilervorrichtungen. (a) Gesamtform der Verteilervorrichtung. Vorderansichten von Verteilervorrichtungen (b) ohne statische Mischer und (c) mit Mischern. (d) Schematische Seitenansicht von statischen Mischern mit integrierten Verteilervorrichtungen.

Was ist für Wärmetauscher mit additiver Fertigung möglich?

Mit der additiven Fertigung können Sie den verfügbaren „weißen Raum“ nutzen, indem Sie Wärmetauscher in einer Reihe von Formen herstellen, die Vorteile in Bezug auf Energieeffizienz, Systemleistung und die Fähigkeit bieten, größere Wärmemengen mit kleineren Flüssigkeitsmengen zu bewegen.

In der Studie haben wir uns für eine gängige Wärmetauscherarchitektur entschieden – eine horizontale beheizte Platte mit einer sehr einfachen Geometrie, über die Wasser fließt, um Wärme abzuführen. Dies ist eine der einfachsten Konfigurationen für einen Wärmetauscher. Mithilfe der additiven Fertigung haben wir den Verteiler, das Teil, das den Flüssigkeitsfluss steuert, aus additiv hergestelltem Polymer hergestellt. Wir haben unsere Designs mit verschiedenen Technologien und Materialien getestet. Ein besonders erfolgreiches Design wurde unter Verwendung von Carbon Digital Light Synthesis und Cyanate Ester hergestellt, da dieses Material so hochgradig hitzebeständig ist. Der resultierende Wärmetauscher verwendet Mischstrukturen, die bewirken, dass ein kaltes Fluid Wärme effizient von einer Heizplatte abführt.

Rechteckiger Mischer mit gedrehtem Band, hergestellt unter Verwendung von Carbon Digital Light Synthesis und Cyanate Ester

Polymer hat eine viel geringere Wärmeleitfähigkeit als Metall, daher würden Sie kein Polymer für die Komponente verwenden, die Wärme transportieren muss. Aber mit der additiven Fertigung können Sie die Mischer direkt in die Strömungskanäle einbauen und sie dann auf der beheizten Platte montieren. Wir haben zwei Arten von Mischstrukturen analysiert:Strukturen mit verdrillten Bändern wie herkömmliche statische Mischer und eine neuartige, zickzackförmige Struktur mit versetzten Flügeln.

Bilder von hergestellten Geräten; (a) rechteckiger Kanal ohne statische Mischer (einfacher Kanal); (b) verdrillte Bandmischer mit rechteckigem Kanal; und (c) rechteckiger Kanal mit Chevron-Mischern.

Was sind Sie zu dem Schluss gekommen?

Wir konnten erfolgreich signifikante Verbesserungen der Wärmetauscherleistung demonstrieren und die Energieeffizienz von Produkten und Werkzeugen steigern, die mit additiv gefertigten Designs erstellt wurden. Insgesamt haben wir in Gegenwart der mit additiver Fertigung hergestellten Mischstrukturen eine etwa 2-fache Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung festgestellt. Dies ist eine große Sache in einem System, in dem es Ihr Ziel ist, so viel Wärme wie möglich abzuführen. Es ist doppelt so heiß.

In einer anderen Art von industrieller Situation, in der Ihr Ziel möglicherweise darin besteht, den Wärmeaustausch zu maximieren und gleichzeitig die Größe des Geräts zu minimieren – beispielsweise beim Entwerfen eines Hochleistungsautomobils, bei dem die Größe und das Gewicht des Fahrzeugs die Leistung beeinflussen – könnten Sie die Größe verkleinern den Wärmetauscher nach unten, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Die additive Fertigung macht diese Art der Anpassung sehr flexibel für anwendungsspezifische Ziele.

Die Nutzung dieser neuen Geometrien wird große Fortschritte bei der Herstellung aller Arten von Maschinen und Geräten ermöglichen. Unsere Forschung wird dazu beitragen, diese Ergebnisse in die Hände von Ingenieuren auf der ganzen Welt zu legen, die neue Techniken nutzen können, die eine erhöhte Wärmeübertragung ermöglichen. Es ist sehr aufregend.

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