Mejora de los modelos de intercambiadores de calor con fabricación aditiva

Los avances en la fabricación aditiva de repente están haciendo posibles nuevos diseños de piezas que siempre habíamos dado por sentado que debían hacerse de cierta manera. Tomemos como ejemplo el intercambiador de calor, un componente industrial común en máquinas de todo tipo que ha existido desde la revolución industrial.

La función esencial de un intercambiador de calor es mover el calor de un lugar a otro, generalmente mediante el flujo de fluidos (gases o líquidos) a través de una pieza de maquinaria. Se utilizan en casi todas las aplicaciones industriales, residenciales y en cualquier lugar donde el calor y el frío importen:refrigeradores, hornos, sistemas de aire acondicionado, transporte, refinerías de petróleo, entornos comerciales, hospitales y más. Se espera que la demanda mundial de intercambiadores de calor se acerque a los 78 160 millones de USD para 2020.

El desafío de hacer que los intercambiadores de calor sean más eficientes ha sido un problema para los ingenieros industriales durante mucho tiempo. Un intercambiador de calor típico está hecho de metal y tiene una arquitectura rectangular compuesta de ángulos rectos, líneas rectas y pilas. Estos son los tipos de formas más fáciles de fabricar con técnicas tradicionales, pero no son las mejores formas para maximizar el intercambio de calor en un espacio pequeño.

Resulta que hay una manera de hacer que los intercambiadores de calor sean más eficientes, livianos y menos costosos, y más efectivos que nunca, utilizando la fabricación aditiva. El director científico de Fast Radius, Bill King, dirigió recientemente un proyecto de investigación en la Universidad de Illinois, donde es profesor de ingeniería mecánica y dirige investigaciones innovadoras sobre paradigmas de ingeniería. El proyecto, y el artículo posterior del que King es coautor, demuestran cómo se pueden fabricar partes de intercambiadores de calor mediante la fabricación aditiva, con mejoras significativas con respecto a los intercambiadores de calor tradicionales.

En esta sesión de preguntas y respuestas, King explica exactamente por qué la fabricación aditiva mejora el modelo tradicional de un intercambiador de calor y por qué esta innovación es tan emocionante para la fabricación en general.

¿Cuáles han sido las limitaciones de los intercambiadores de calor tradicionales?

La mayoría de la gente está familiarizada con el aspecto del radiador de un automóvil:un banco de tubos con una gran cantidad de finas aletas de metal. Es una forma grande, en bloque, básicamente un rectángulo. La mayoría de los ingenieros reconocerán que las nuevas geometrías de los intercambiadores de calor mejorarían el rendimiento, pero hasta ahora nunca había sido posible lograrlos.

En la mayoría de los diseños, los componentes del intercambiador de calor tienen geometrías relativamente simples. Los conductos de fluidos suelen ser rectos y suaves. Estos pasajes lisos y rectos normalmente tienen una menor transferencia de calor en comparación con los pasajes sinuosos y contorneados. Pero, lamentablemente, los pasajes sinuosos y contorneados no se pueden hacer con las tecnologías de fabricación tradicionales.

En algunos de estos diseños rectangulares, un colector puede dirigir el flujo de fluido en la máquina, lo que hace que fluya hacia regiones de alta o baja temperatura, las regiones a las que se dirige el flujo de calor. Por lo general, estos colectores se fabrican como componentes individuales y separados. Cuando los componentes se fabrican por separado y luego se ensamblan, hay costos y mano de obra adicionales asociados con el ensamblaje y los controles de calidad.

Imágenes de múltiples dispositivos fabricados. (a) Forma general del dispositivo múltiple. Vistas frontales de múltiples dispositivos (b) sin mezcladores estáticos y (c) con mezcladores. (d) Esquema de vista lateral de mezcladores estáticos con dispositivos colectores integrados.

¿Qué es posible para los intercambiadores de calor que utilizan la fabricación aditiva?

Con la fabricación aditiva, puede explotar el "espacio en blanco" disponible al fabricar intercambiadores de calor en una variedad de formas que tienen una ventaja en términos de eficiencia energética, rendimiento del sistema y la capacidad de mover grandes cantidades de calor utilizando volúmenes más pequeños de fluido.

En el estudio, elegimos una arquitectura de intercambiador de calor común:una placa calentada horizontal con una geometría muy simple sobre la que fluye el agua para eliminar el calor. Es una de las configuraciones más simples para un intercambiador de calor. Mediante la fabricación aditiva, creamos el colector, la parte que controla el flujo de fluidos, a partir de un polímero fabricado de forma aditiva. Probamos nuestros diseños utilizando diversas tecnologías y materiales. Un diseño particularmente exitoso se hizo utilizando Carbon Digital Light Synthesis y Cyanate Ester, porque ese material es muy resistente al calor. El intercambiador de calor resultante usa estructuras de mezcla que hacen que un fluido frío elimine eficientemente el calor de una placa caliente.

Mezclador rectangular de cinta torcida fabricado con Carbon Digital Light Synthesis y Cyanate Ester

El polímero tiene una conductividad térmica mucho más baja que el metal, por lo que no usaría polímero para el componente que necesita transportar calor. Pero con la fabricación aditiva, puede fabricar los mezcladores directamente en los canales de flujo y luego ensamblarlos en la placa calentada. Analizamos dos tipos de estructuras de mezcla:estructuras de cinta retorcida como los mezcladores estáticos convencionales y una nueva estructura de ala compensada en forma de cheurón.

Imágenes de dispositivos fabricados; (a) canal rectangular sin mezcladores estáticos (canal simple); (b) mezcladores de cinta torcida de canal rectangular; y (c) canal rectangular con mezcladores de chevron.

¿Qué concluyeste?

Pudimos demostrar con éxito mejoras significativas en el rendimiento del intercambiador de calor, lo que aumentó la eficiencia energética de los productos y herramientas creados con diseños de fabricación aditiva. En general, vimos una mejora del doble en el rendimiento de la transferencia de calor en presencia de estructuras de mezcla producidas con fabricación aditiva. Este es un gran problema en un sistema donde su objetivo es eliminar la mayor cantidad de calor posible. Es el doble de calor.

En otro tipo de situación industrial, donde su objetivo podría ser maximizar el intercambio de calor y minimizar el tamaño del dispositivo, por ejemplo, al diseñar un automóvil de alto rendimiento donde el tamaño y el peso del vehículo afectan el rendimiento, podría reducir el tamaño de el intercambiador de calor hacia abajo para lograr el resultado deseado. La fabricación aditiva hace que este tipo de personalización sea muy flexible para objetivos específicos de la aplicación.

El aprovechamiento de estas nuevas geometrías va a permitir importantes avances en la fabricación de todo tipo de maquinaria y electrodomésticos. Nuestra investigación ayudará a poner estos resultados en manos de ingenieros de todo el mundo, quienes pueden explotar nuevas técnicas que permitan una mayor transferencia de calor. Es muy emocionante.

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