Amélioration des modèles d'échangeurs de chaleur grâce à la fabrication additive

Les progrès de la fabrication additive rendent soudainement possibles de nouvelles conceptions de pièces que nous avons toujours considérées comme allant de soi et qui devaient être réalisées d'une certaine manière. Prenez l'échangeur de chaleur, un composant industriel courant dans les machines de tous types qui existe depuis la révolution industrielle.

La fonction essentielle d'un échangeur de chaleur est de déplacer la chaleur d'un endroit à un autre, généralement par écoulement de fluide (gaz ou liquide) à travers une pièce de machinerie. Ils sont utilisés dans presque toutes les applications industrielles, résidences et partout où le chaud et le froid sont importants :réfrigérateurs, fournaises, systèmes de climatisation, transports, raffineries de pétrole, environnements commerciaux, hôpitaux, etc. La demande mondiale d'échangeurs de chaleur devrait approcher les 78,16 milliards de dollars d'ici 2020.

Le défi de rendre les échangeurs de chaleur plus efficaces a longtemps tourmenté les ingénieurs industriels. Un échangeur de chaleur typique est en métal et a une architecture rectangulaire composée d'angles droits, de lignes droites et d'empilements. Ce sont les types de formes les plus faciles à fabriquer à l'aide de techniques traditionnelles, mais ce ne sont pas les meilleures formes pour maximiser l'échange de chaleur dans un petit espace.

Il s'avère qu'il existe un moyen de rendre les échangeurs de chaleur plus efficaces, plus légers et moins chers - et plus efficaces que jamais - en utilisant la fabrication additive. Le directeur scientifique de Fast Radius, Bill King, a récemment dirigé un projet de recherche à l'Université de l'Illinois, où il est professeur de génie mécanique et mène des recherches innovantes sur les paradigmes d'ingénierie. Le projet, et l'article co-écrit par King par la suite, montrent comment des pièces d'échangeurs de chaleur peuvent être fabriquées à l'aide de la fabrication additive, avec des améliorations significatives par rapport aux échangeurs de chaleur traditionnels.

Dans cette session de questions-réponses, King explique exactement pourquoi la fabrication additive améliore le modèle traditionnel d'un échangeur de chaleur et pourquoi cette innovation est si excitante pour la fabrication en général.

Quelles ont été les limites des échangeurs de chaleur traditionnels ?

La plupart des gens savent à quoi ressemble un radiateur de voiture :une rangée de tubes avec un grand nombre d'ailettes métalliques minces. C'est une grande forme en blocs, essentiellement un rectangle. La plupart des ingénieurs reconnaîtront que de nouvelles géométries d'échangeurs de chaleur amélioreraient les performances, mais il n'a jamais été possible de les atteindre jusqu'à présent.

Dans la plupart des conceptions, les composants de l'échangeur de chaleur ont des géométries relativement simples. Les passages de liquide sont généralement droits et lisses. Ces passages droits et lisses ont normalement un transfert de chaleur inférieur à celui des passages sinueux et profilés. Mais malheureusement, les passages sinueux et profilés ne peuvent pas être réalisés à l'aide des technologies de fabrication traditionnelles.

Dans certaines de ces conceptions rectangulaires, un collecteur peut diriger le flux de fluide dans la machine, le faisant s'écouler dans des régions à haute ou basse température - les régions ciblées pour le flux de chaleur. En règle générale, ces collecteurs sont fabriqués en tant que composants individuels et séparés. Lorsque les composants sont fabriqués séparément puis assemblés, des coûts et une main-d'œuvre supplémentaires sont associés à l'assemblage et aux contrôles de qualité.

Photos de dispositifs collecteurs fabriqués. (a) Forme générale du dispositif collecteur. Vues de face des dispositifs collecteurs (b) sans mélangeurs statiques et (c) avec mélangeurs. (d) Schéma de vue latérale des mélangeurs statiques avec dispositifs de collecteur intégrés.

Qu'est-ce qui est possible pour les échangeurs de chaleur utilisant la fabrication additive ?

Avec la fabrication additive, vous pouvez exploiter «l'espace blanc» disponible en fabriquant des échangeurs de chaleur dans une gamme de formes qui présentent un avantage en termes d'efficacité énergétique, de performances du système et de capacité à déplacer de plus grandes quantités de chaleur en utilisant de plus petits volumes de fluide.

Dans l'étude, nous avons choisi une architecture d'échangeur de chaleur commune - une plaque chauffante horizontale avec une géométrie très simple sur laquelle l'eau s'écoule pour évacuer la chaleur. C'est l'une des configurations les plus simples pour un échangeur de chaleur. En utilisant la fabrication additive, nous avons créé le collecteur, la pièce qui contrôle le débit de fluide, à partir d'un polymère fabriqué de manière additive. Nous avons testé nos conceptions en utilisant diverses technologies et matériaux. Une conception particulièrement réussie a été réalisée à l'aide de Carbon Digital Light Synthesis et de Cyanate Ester, car ce matériau est très résistant à la chaleur. L'échangeur de chaleur qui en résulte utilise des structures de mélange qui amènent un fluide froid à évacuer efficacement la chaleur d'une plaque chauffante.

Mélangeur à ruban torsadé rectangulaire fabriqué à partir de Carbon Digital Light Synthesis et de Cyanate Ester

Le polymère a une conductivité thermique beaucoup plus faible que le métal, vous n'utiliserez donc pas de polymère pour le composant qui doit transporter la chaleur. Mais avec la fabrication additive, vous pouvez fabriquer les mélangeurs directement dans les canaux d'écoulement, puis les assembler sur la plaque chauffante. Nous avons analysé deux types de structures de mixage :les structures à bande torsadée comme les mélangeurs statiques conventionnels et une nouvelle structure d'aile décalée en forme de chevron.

Images d'appareils fabriqués ; (a) canal rectangulaire sans mélangeurs statiques (canal ordinaire) ; (b) mélangeurs à bande torsadée à canaux rectangulaires ; et (c) canal rectangulaire avec mélangeurs à chevrons.

Qu'en avez-vous conclu ?

Nous avons pu démontrer avec succès des améliorations significatives des performances des échangeurs de chaleur, augmentant l'efficacité énergétique des produits et des outils créés à l'aide de conceptions fabriquées de manière additive. Dans l'ensemble, nous avons constaté une amélioration d'environ 2 fois des performances de transfert de chaleur en présence des structures de mélange produites avec la fabrication additive. C'est un gros problème dans un système où votre objectif est d'éliminer autant de chaleur que possible. C'est deux fois plus chaud.

Dans un autre type de situation industrielle, où votre objectif pourrait être de maximiser l'échange de chaleur tout en minimisant la taille de l'appareil - par exemple, lors de la conception d'une automobile performante où la taille et le poids du véhicule ont un impact sur les performances - vous pourriez réduire la taille de l'échangeur de chaleur vers le bas pour obtenir le résultat souhaité. La fabrication additive rend ce type de personnalisation très flexible pour les objectifs spécifiques à l'application.

L'exploitation de ces nouvelles géométries va permettre des avancées majeures dans la fabrication de tous types de machines et d'appareils. Nos recherches aideront à mettre ces résultats entre les mains d'ingénieurs du monde entier, qui pourront exploiter de nouvelles techniques permettant un transfert de chaleur accru. C'est très excitant.

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