3D -printimine optimeerib soojusvaheti disaini ja jõudlus suureneb 20 korda

22. septembril 2021 kasutas Illinoisi ülikool 3D-printimistehnoloogiat järgmise põlvkonna üliväikeste soojusvahetite tootmiseks, saavutades jõudluse paranemise kuni 2000%.

Uuenduslike geomeetriliste kujundite kujundamiseks on insenerid välja töötanud kolmemõõtmelise topoloogia optimeerimisega soojusvaheti projekteerimistarkvara. See tarkvara on spetsiaalselt ette nähtud olemasolevate soojusvaheti konstruktsioonide optimeerimiseks, et maksimeerida soojusülekannet, minimeerides samas osakaalu, mis võib oluliselt mõjutada selliseid tööstusharusid nagu energeetika, elektroonika ja kosmosetööstus.

Mehaanikateaduse ja -tehnika professor William King ütles:&"; Oleme välja töötanud kuju optimeerimise tarkvara suure jõudlusega soojusvahetite kavandamiseks. Tarkvara võimaldab meil tuvastada 3D -kujundusi, mis erinevad oluliselt traditsioonilistest disainidest ja on paremad."

△ Optimeeritud 3D trükitud soojusvaheti renderdamine, pilt pärineb Illinoisi ülikoolist

Soojusvaheti optimaalse disaini vajadus

Soojusvahetit kasutatakse peamiselt soojusenergia ülekandmiseks punktist A punkti B. Need on väga olulised paljudes tööstusharudes ja peaaegu kõik keerukad süsteemid, mis toodavad soojust, kasutavad soojusvahetit. Sealhulgas elektritootmissüsteemid, transport, nafta ja gaasi töötlemine, vee magestamine ja olmeelektroonika soojusjuhtimine.

Praegu on maailmas kasutusel miljoneid soojusvahetiid ning nende jõudlus ja tõhusus on süsinikuheite vähendamiseks väga olulised. Inimesed vajavad tõhusa soojuseralduse soodustamiseks suure pindalaga soojusvahetit, olles samas ka kompaktsed ja kerged. Mõnes tööstusharus, näiteks lennunduses, on komponentide suurusel ja kvaliteedil otsene mõju süsteemi jõudlusele, ulatusele ja maksumusele.

Viimase aastakümne jooksul ei ole soojusvaheti konstruktsioon palju muutunud. Peamiselt piiratud traditsioonilise tootmistehnoloogiaga, ei suuda see toota keerulisi konstruktsioone, näiteks sisekanalite optimeerimist soojusvoo jaoks. Kuid metallist 3D -printimistehnoloogia arendamisega saab hõlpsasti valmistada 3D -soojusvahetiid, mida varem peeti võimatuks. Vaja on vaid spetsiaalset tarkvaratööriista uute ja tõhusamate seadmete kavandamiseks.

Optimeeritud torust torusse soojusvaheti

Arendusmeeskond kasutas kolmemõõtmelist projekteerimistarkvara, et töötada välja spetsiaalne soojusvaheti, mida nimetatakse torusiseses soojusvahetiks, mida kasutatakse sageli joogiveesüsteemides ja hoonete energiasüsteemides. Toru-torus soojusvaheti tunnuseks on see, et sisemine toru on paigutatud välimisse torusse. Samuti seadsid nad projekteerimisel toru sisse integreeritud uimede komplekti, mis on sisemine disainifunktsioon, mida on võimalik saavutada ainult 3D -printimistehnoloogia abil.

Pärast disaini viimistlemist printisid insenerid soojusvaheti AlSi10Mg -ga ja tegid laborikeskkonnas jõudluskontrolli. 3D -trükitud soojusvaheti võimsustihedus on 26,6 vatti kuupsentimeetri kohta ja erivõimsus 15,7 kW/kg, mis on umbes 20 korda suurem kui sarnastel kaubanduslikel soojusvahetitel.

Mehaanikateaduse ja -tehnika osakonna dotsent Nenad Miljkovic ütles:&"; Oleme kavandanud, tootnud ja katsetanud optimeeritud torust torusse soojusvahetit. Optimeeritud soojusvaheti mahuline võimsustihedus on ligikaudu suurem kui praegusel kaasaegsel kaubanduslikul torust torul seadmel. 20 korda&";

▲ Soojusvaheti sisemine struktuur ja ümbritsev süsteem, pilt pärineb Illinoisi ülikoolist

See uurimus on avaldatud ajakirjas&"Ülivõimsalt tiheda soojusvaheti arendamine geneetilise algoritmi kavandamise ja lisandite tootmise &" kaudu. Selle kaasautorid olid Hyunkyu Moon, Davis McGregor, Nenad Miljkovic ja William King.