Révolutionner la conception d'échangeurs de chaleur par la fabrication additive

Les avancées de la fabrication additive rendent soudainement possibles de nouvelles conceptions de pièces que nous avons toujours tenues pour acquises comme devant être faites d'une certaine manière. Prenons l'échangeur de chaleur, un composant industriel courant dans des 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 liquides) à travers une pièce de machinerie. Ils sont utilisés dans presque toutes les applications industrielles, résidences et partout où le chaud et le froid importent : réfrigérateurs, fours, systèmes de climatisation, transport, raffineries de pétrole, environnements commerciaux, hôpitaux et plus. La demande mondiale pour les échangeurs de chaleur devrait approcher 78,16 milliards USD 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 fait de métal et a une architecture rectangulaire composée d'angles droits, de lignes droites et d'empilements. Ce sont les types de formes les plus facilement fabriqués en utilisant des 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 subséquent co-écrit par King, démontre comment des parties d'échangeurs de chaleur peuvent être fabriquées en utilisant la fabrication additive, avec des améliorations significatives par rapport aux échangeurs de chaleur traditionnels.

Dans cette Q&R, King partage son insight sur 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 limitations des échangeurs de chaleur traditionnels ?

La plupart des gens sont familiers avec l'apparence d'un radiateur de voiture : une banque de tubes avec un grand nombre de fines ailettes métalliques. C'est une forme grande et bloc, essentiellement un rectangle. La plupart des ingénieurs reconnaîtront que de nouvelles géométries d'échangeurs de chaleur amélioreraient la performance, mais il n'a jamais été possible de les atteindre jusqu'à maintenant.

Dans la plupart des conceptions, les composants de l'échangeur de chaleur ont des géométries relativement simples. Les passages de fluide sont généralement droits et lisses. Ces passages droits et lisses ont normalement un transfert de chaleur inférieur comparé aux passages qui sont tortueux et profilés. Mais malheureusement, les passages tortueux et profilés ne peuvent pas être faits en utilisant les technologies de fabrication traditionnelles.

Dans certains de ces designs rectangulaires, un collecteur pourrait diriger l'écoulement du fluide dans la machine, le faisant s'écouler dans des régions de haute température ou de basse température — les régions ciblées pour le flux de chaleur. Typiquement, ces collecteurs sont faits comme des composants individuels, séparés. Lorsque les composants sont faits séparément et ensuite assemblés, il y a un coût et une main-d'œuvre supplémentaires associés à l'assemblage et aux contrôles de qualité.

Photos des dispositifs de collecteur fabriqués. (a) Forme globale du dispositif collecteur. Vues avant des dispositifs collecteur (b) sans mélangeurs statiques et (c) avec mélangeurs. (d) Vue latérale schématique des mélangeurs statiques avec dispositifs collecteur intégrés.

Qu'est-ce qui est possible pour les échangeurs de chaleur en 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 ont un avantage en termes d'efficacité énergétique, de performance 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 chauffée horizontale avec une géométrie très simple sur laquelle l'eau s'écoule pour enlever 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 partie qui contrôle l'écoulement du fluide, à partir de polymère fabriqué additivement. Nous avons testé nos conceptions en utilisant diverses technologies et matériaux. Un design particulièrement réussi a été fait en utilisant Carbon Digital Light Synthesis et l'Ester Cyanate, car ce matériau est si hautement résistant à la chaleur. L'échangeur de chaleur résultant utilise des structures de mélange qui font qu'un fluide froid enlève efficacement la chaleur d'une plaque chaude.

Mélangeur à ruban torsadé rectangulaire fait en utilisant Carbon Digital Light Synthesis et Ester Cyanate

Le polymère a une conductivité thermique beaucoup plus faible que le métal, donc vous n'utiliseriez 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 et puis les assembler sur la plaque chauffée. Nous avons analysé deux types de structures de mélange : des structures à ruban torsadé comme les mélangeurs statiques conventionnels et une structure novatrice en ailettes décalées en forme de chevron.

Images des dispositifs fabriqués ; (a) canal rectangulaire sans mélangeurs statiques (canal simple) ; (b) canal rectangulaire avec mélangeurs à ruban torsadé ; et (c) canal rectangulaire avec mélangeurs chevron.

Qu'avez-vous conclu ?

Nous avons pu démontrer avec succès des améliorations significatives de la performance des échangeurs de chaleur, augmentant l'efficacité énergétique des produits et outils créés en utilisant des conceptions fabriquées additivement. Dans l'ensemble, nous avons vu environ une amélioration de 2x de la performance de transfert de chaleur en présence des structures de mélange produites avec la fabrication additive. C'est énorme dans un système où votre objectif est d'enlever autant de chaleur que possible. C'est deux fois la chaleur.

Dans un autre type de situation industrielle, où votre objectif pourrait être de maximiser l'échange de chaleur tout en minimisant la taille du dispositif — par exemple, lors de la conception d'une automobile de performance où la taille et le poids du véhicule impactent la performance — vous pourriez réduire la taille de l'échangeur de chaleur pour atteindre le résultat souhaité. La fabrication additive rend ce type de personnalisation très flexible pour des objectifs spécifiques à l'application.

Tirer parti de ces nouvelles géométries va permettre des avancées majeures dans la fabrication de tous les types de machinerie et d'appareils. Notre recherche aidera à mettre ces résultats dans les mains des ingénieurs du monde entier, qui pourront exploiter de nouvelles techniques permettant un transfert de chaleur accru. C'est très excitant.

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