Wärmetauscher-Design durch additive Fertigung revolutionieren

Fortschritte in der additiven Fertigung machen plötzlich neue Teildesigns möglich, die wir immer als gegeben hingenommen haben, auf eine bestimmte Weise gemacht werden zu müssen. Nehmen Sie den Wärmetauscher – eine gängige industrielle Komponente in Maschinen aller Art, die seit der Industriellen Revolution existiert.

Die Kernfunktion eines Wärmetauschers ist, Wärme von einem Ort zum anderen zu transportieren, meist durch Fluidströmung (Gase oder Flüssigkeiten) durch eine Maschine. Sie werden in fast jeder industriellen Anwendung, in Wohngebäuden und überall dort eingesetzt, wo Heizung und Kühlung relevant sind: Kühlschränke, Öfen, Klimaanlagen, Transport, Ölraffinerien, gewerbliche Umgebungen, Krankenhäuser und mehr. Die globale Nachfrage nach Wärmetauschern wird voraussichtlich bis 2020 auf 78,16 Mrd. US-Dollar ansteigen.

Die Herausforderung, Wärmetauscher effizienter zu machen, plagt Ingenieure seit langem. Ein typischer Wärmetauscher besteht aus Metall und hat eine rechteckige Architektur aus rechten Winkeln, geraden Linien und Stapeln. Das sind die Formen, die sich mit traditionellen Techniken am einfachsten fertigen lassen – aber sie sind nicht die besten Formen, um Wärmeaustausch in kleinem Raum zu maximieren.

Es gibt einen Weg, Wärmetauscher effizienter, leichter und kostengünstiger – und effektiver als je zuvor – durch additive Fertigung zu gestalten. Fast Radius' Chief Science Officer Bill King leitete kürzlich ein Forschungsprojekt an der University of Illinois, wo er Professor für Maschinenbau ist und innovative Forschung zu Engineering-Paradigmen leitet. Das Projekt und der anschließende, von King mitverfasste Paper demonstrieren, wie Wärmetauscherkomponenten durch additive Fertigung hergestellt werden können – mit signifikanten Verbesserungen gegenüber traditionellen Wärmetauschern.

In diesem Q&A gibt King Einblick, warum additive Fertigung das traditionelle Wärmetauscher-Modell verbessert und warum diese Innovation für die Fertigung insgesamt so aufregend ist.

Was waren die Limitationen traditioneller Wärmetauscher?

Die meisten kennen das Aussehen eines Auto-Kühlers: ein Bündel Röhren mit vielen dünnen Metalllamellen. Es ist eine große, blockige Form – im Grunde ein Rechteck. Die meisten Ingenieure erkennen an, dass neue Geometrien die Performance verbessern würden – aber es war nie möglich, sie zu realisieren. Bis jetzt.

In den meisten Designs haben die Wärmetauscherkomponenten relativ einfache Geometrien. Fluidkanäle sind meist gerade und glatt. Diese geraden, glatten Kanäle haben normalerweise geringeren Wärmeübergang als gewundene, konturierte Kanäle. Leider lassen sich gewundene und konturierte Kanäle mit traditionellen Fertigungstechnologien nicht herstellen.

In manchen dieser rechteckigen Designs leitet ein Verteiler den Fluidstrom in der Maschine, sodass er in Bereiche hoher oder niedriger Temperatur fließt – die Bereiche, die für den Wärmestrom relevant sind. Typischerweise werden diese Verteiler als separate Einzelkomponenten gefertigt. Werden Komponenten separat gefertigt und dann montiert, fallen zusätzliche Kosten und Arbeitsaufwand für Montage und Qualitätsprüfungen an.

Abbildungen gefertigter Verteiler-Devices. (a) Gesamtform des Verteiler-Devices. Vorderansichten (b) ohne und (c) mit statischen Mischern. (d) Seitenansicht-Schema statischer Mischer mit integrierten Verteiler-Devices.

Was ist mit additiver Fertigung für Wärmetauscher möglich?

Mit additiver Fertigung können Sie den verfügbaren „Weißraum“ nutzen, indem Sie Wärmetauscher in einer Reihe von Formen fertigen, die Vorteile in Energieeffizienz, Systemperformance und der Fähigkeit bieten, größere Wärmemengen mit kleineren Fluidvolumen zu bewegen.

In der Studie wählten wir eine gängige Wärmetauscher-Architektur – eine horizontal beheizte Platte mit sehr einfacher Geometrie, über die Wasser fließt, um Wärme abzuführen. Es ist eine der einfachsten Konfigurationen für einen Wärmetauscher. Mit additiver Fertigung erstellten wir den Verteiler, der den Fluidstrom steuert, aus additiv gefertigtem Polymer. Wir testeten unsere Designs mit verschiedenen Technologien und Materialien. Ein besonders erfolgreiches Design nutzte Carbon Digital Light Synthesis und Cyanate Ester – weil dieses Material so hoch hitzebeständig ist. Der resultierende Wärmetauscher nutzt Mischstrukturen, die ein kaltes Fluid effizient Wärme von einer heißen Platte entziehen lassen.

Rechteckiger Twisted-Tape-Mischer, gefertigt mit Carbon Digital Light Synthesis und Cyanate Ester

Polymer hat eine weit geringere Wärmeleitfähigkeit als Metall, daher würden Sie Polymer nicht für die Komponente nutzen, die Wärme transportieren muss. Aber mit additiver Fertigung können Sie die Mischer direkt in die Strömungskanäle integrieren und diese dann auf die beheizte Platte montieren. Wir analysierten zwei Mischstruktur-Typen: Twisted-Tape-Strukturen wie konventionelle statische Mischer und eine neuartige, chevron-förmige Offset-Flügel-Struktur.

Abbildungen gefertigter Devices: (a) rechteckiger Kanal ohne statische Mischer (glatter Kanal); (b) rechteckiger Kanal mit Twisted-Tape-Mischern; (c) rechteckiger Kanal mit Chevron-Mischern.

Was war das Fazit?

Wir konnten signifikante Performance-Verbesserungen bei Wärmetauschern erfolgreich demonstrieren, was die Energieeffizienz von Produkten und Werkzeugen erhöht, die mit additiv gefertigten Designs erstellt wurden. Insgesamt sahen wir etwa eine 2-fache Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung durch die mit additiver Fertigung produzierten Mischstrukturen. Das ist ein großes Plus in einem System, dessen Ziel es ist, so viel Wärme wie möglich abzuführen. Es ist die doppelte Wärmemenge.

In einem anderen industriellen Szenario, wo das Ziel sein könnte, den Wärmeaustausch zu maximieren und gleichzeitig die Gerätegröße zu minimieren – beispielsweise beim Design eines Performance-Automobils, wo Größe und Gewicht die Performance beeinflussen – könnten Sie die Größe des Wärmetauschers verkleinern, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Additive Fertigung macht diese Art der anwendungsspezifischen Anpassung sehr flexibel.

Die Nutzung dieser neuen Geometrien wird große Fortschritte in der Fertigung aller Arten von Maschinen und Geräten ermöglichen. Unsere Forschung wird helfen, diese Ergebnisse in die Hände von Ingenieuren weltweit zu geben, die neue Techniken für erhöhten Wärmeübergang nutzen können. Das ist sehr aufregend.

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