Gli ingegneri utilizzano la tecnologia di stampa 3D per aumentare le prestazioni dello scambiatore di calore del 2000%

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Un team di ricercatori dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign ha utilizzato la tecnologia di stampa 3D per produrre uno scambiatore di calore ultracompatto di prossima generazione, ottenendo aumenti di prestazioni fino al 2000%.

Per abilitare la nuova geometria, gli ingegneri hanno sviluppato il proprio software di progettazione di scambiatori di calore 3D appositamente creato con funzionalità di ottimizzazione della topologia. Il programma è progettato specificamente per ottimizzare i progetti di scambiatori di calore esistenti per massimizzare il trasferimento di calore riducendo al minimo il peso delle parti, il che potrebbe avere importanti implicazioni per settori quali energia, elettronica e aerospaziale.

«Abbiamo sviluppato un software di ottimizzazione della forma per progettare uno scambiatore di calore ad alte prestazioni», spiega William King, professore di scienze e ingegneria meccanica e co-responsabile dello studio. "Il software ci consente di identificare progetti 3D che sono significativamente diversi e migliori rispetto ai progetti convenzionali."

La necessità di promuovere gli scambiatori di calore

Gli scambiatori di calore vengono semplicemente utilizzati per trasferire l'energia termica dal punto A al punto B. Sono fondamentali nella maggior parte dei principali settori e sono presenti in quasi tutti i sistemi complessi che generano calore. Ciò include sistemi di generazione di energia, trasporti, lavorazione di petrolio e gas, desalinizzazione dell’acqua e gestione termica per l’elettronica di consumo.

Con milioni di scambiatori di calore in uso oggi nel mondo, le loro prestazioni ed efficienza sono diventate più importanti che mai quando si tratta di sostenibilità globale e di riduzione del consumo energetico. Abbiamo bisogno di dispositivi ad alta superficie che promuovano un flusso di calore efficiente pur essendo compatti e leggeri. In alcuni settori, come quello aerospaziale, questa combinazione è particolarmente importante poiché le dimensioni e la massa dei componenti hanno un impatto diretto sulle prestazioni, sulla portata e sui costi del sistema.

Sfortunatamente, secondo i ricercatori dell’Illinois, la progettazione degli scambiatori di calore non è cambiata molto negli ultimi decenni. Limitati dalle tecnologie di produzione convenzionali, non siamo stati in grado di integrare strutture complesse come i canali interni che ottimizzano il flusso di calore. Tuttavia, poiché la stampa 3D in metallo è ora un’opzione praticabile, i progetti di scambiatori di calore 3D che in precedenza si ritenevano impossibili possono essere fabbricati con facilità. Tutto ciò che serviva era uno strumento software dedicato per progettare dispositivi nuovi e più efficienti.

Uno scambiatore di calore tubo-in-tubo ottimizzato

Utilizzando il suo software di progettazione 3D, il team ha studiato un tipo speciale di scambiatore di calore chiamato scambiatore tubo-in-tubo, che si trova spesso nei sistemi di acqua potabile e nei sistemi energetici degli edifici. Come suggerisce il nome, gli scambiatori tubo in tubo sono dotati di un tubo interno annidato all'interno di un tubo esterno. Il design dell’Illinois aveva anche una serie di alette integrate all’interno dei tubi – una caratteristica di design interno resa possibile solo dalla tecnologia di stampa 3D.

Una volta finalizzato il progetto ottimizzato, gli ingegneri hanno stampato lo scambiatore di calore utilizzando AlSi10Mg e ne hanno testato le prestazioni in un ambiente di laboratorio. È stato riscontrato che il dispositivo ha una densità di potenza di 26,6 W/cm3 e una potenza specifica di 15,7 kW/kg, che secondo quanto riferito è circa 20 volte superiore a quella di scambiatori di calore commerciali comparabili.

“Abbiamo progettato, fabbricato e testato uno scambiatore di calore tubo-in-tubo ottimizzato”, ha affermato Nenad Miljkovic, professore associato di scienza e ingegneria meccanica e co-leader dello studio. “Il nostro scambiatore di calore ottimizzato ha una densità di potenza volumetrica circa 20 volte superiore rispetto a un attuale dispositivo tubo-in-tubo commerciale all’avanguardia”.

Ulteriori dettagli sullo studio possono essere trovati nel documento intitolato "Sviluppo di scambiatori di calore ad alta densità di potenza attraverso la progettazione di algoritmi genetici e la produzione additiva". È coautore di Hyunkyu Moon, Davis McGregor, Nenad Miljkovic e William King.

All’inizio di questo mese, i ricercatori della RMIT University, in Australia, hanno sviluppato una serie di scambiatori di calore stampati in 3D di prossima generazione alimentati da carburante per aerei. I catalizzatori stampati in 3D, come vengono chiamati, sono scambiatori di calore metallici rivestiti con minerali sintetici noti come zeoliti. Utilizzando il carburante degli aerei come refrigerante, potrebbero essere la chiave per risolvere uno dei maggiori problemi del volo ipersonico: il surriscaldamento.