Revolucionando el diseño de intercambiadores de calor mediante fabricación aditiva

Los avances en fabricación aditiva están haciendo posibles de repente nuevos diseños de piezas que siempre hemos dado por sentado que tenían que hacerse de una cierta manera. Tome el intercambiador de calor, un componente industrial común en máquinas de todo tipo que existe desde la revolución industrial.

La función esencial de un intercambiador de calor es mover calor de un lugar a otro, usualmente por flujo de fluido (gases o líquidos) a través de una pieza de maquinaria. Se usan en casi todas las aplicaciones industriales, residencias y en cualquier lugar donde lo caliente y lo frío importa: refrigeradores, hornos, sistemas de AC, transporte, refinerías de petróleo, entornos comerciales, hospitales y más. Se espera que la demanda global de intercambiadores de calor se acerque a US$78.16 mil millones para 2020.

El desafío de hacer los intercambiadores de calor más eficientes ha plagado a los ingenieros industriales durante mucho tiempo. Un intercambiador de calor típico está hecho de metal y tiene una arquitectura rectangular compuesta por ángulos rectos, líneas rectas y apilamientos. Estos son los tipos de formas más fácilmente fabricadas usando técnicas tradicionales, pero no son las mejores formas para maximizar el intercambio de calor en un espacio pequeño.

Resulta que hay una forma de hacer los intercambiadores de calor más eficientes, ligeros y menos costosos — y más efectivos que nunca — usando fabricación aditiva. El Director Científico de Fast Radius, Bill King, lideró recientemente un proyecto de investigación en la Universidad de Illinois, donde es Profesor de Ingeniería Mecánica y lidera investigación innovadora en paradigmas de ingeniería. El proyecto, y el artículo subsiguiente que King co-escribió, demuestra cómo las partes de los intercambiadores de calor pueden hacerse usando fabricación aditiva, con mejoras significativas sobre los intercambiadores de calor tradicionales.

En esta entrevista, King ofrece su visión sobre 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 cómo se ve un radiador de coche: un banco de tubos con un gran número de aletas metálicas delgadas. Es una forma grande y bloqueada, básicamente un rectángulo. La mayoría de los ingenieros reconocerán que nuevas geometrías de intercambiadores de calor mejorarían el rendimiento, pero nunca ha sido posible lograrlas hasta ahora.

En la mayoría de los diseños, los componentes del intercambiador de calor tienen geometrías relativamente simples. Los pasajes de fluido suelen ser rectos y lisos. Estos pasajes rectos y lisos normalmente tienen menor transferencia de calor comparados con pasajes que son retorcidos y contorneados. Pero desafortunadamente, los pasajes retorcidos y contorneados no pueden hacerse usando tecnologías de fabricación tradicionales.

En algunos de estos diseños rectangulares, un colector podría dirigir el flujo de fluido en la máquina, causándolo a fluir hacia regiones de alta temperatura o baja temperatura — las regiones objetivo para el flujo de calor. Típicamente, estos colectores se hacen como componentes individuales, separados. Cuando los componentes se hacen por separado y luego se ensamblan, hay coste y mano de obra extra asociados con el ensamblaje y controles de calidad.

Imágenes de dispositivos colectores fabricados. (a) Forma general del dispositivo colector. Vistas frontales de dispositivos colectores (b) sin mezcladores estáticos y (c) con mezcladores. (d) Vista lateral esquemática de mezcladores estáticos con dispositivos colectores integrados.

¿Qué es posible para intercambiadores de calor usando fabricación aditiva?

Con fabricación aditiva, puede explotar el "espacio blanco" disponible haciendo intercambiadores de calor en una gama de formas que tienen ventaja en términos de eficiencia energética, rendimiento del sistema y capacidad de mover mayores cantidades de calor usando volúmenes menores de fluido.

En el estudio, elegimos una arquitectura común de intercambiador de calor — una placa calentada horizontal con una geometría muy simple por la que fluye agua para remover calor. Es una de las configuraciones más simples para un intercambiador de calor. Usando fabricación aditiva, creamos el colector, la parte que controla el flujo de fluido, de polímero fabricado aditivamente. Probamos nuestros diseños usando diversas tecnologías y materiales. Un diseño particularmente exitoso se hizo usando Carbon Digital Light Synthesis y Éster Cianato, porque ese material es tan altamente resistente al calor. El intercambiador de calor resultante usa estructuras de mezcla que causan que un fluido frío elimine eficientemente calor de una placa caliente.

Mezclador de cinta retorcida rectangular hecho usando Carbon Digital Light Synthesis y Éster Cianato

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

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

¿Qué concluyó?

Fuimos capaces de demostrar exitosamente mejoras significativas en el rendimiento del intercambiador de calor, aumentando la eficiencia energética de productos y herramientas creados usando diseños fabricados aditivamente. En general, vimos una mejora de aproximadamente 2x en el rendimiento de transferencia de calor en presencia de las estructuras de mezcla producidas con fabricación aditiva. Esto es un gran asunto en un sistema donde su objetivo es remover 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 mientras minimiza el tamaño del dispositivo — por ejemplo, al diseñar un automóvil de rendimiento donde el tamaño y peso del vehículo impactan el rendimiento — podría reducir el tamaño del intercambiador de calor para lograr el resultado deseado. La fabricación aditiva hace que este tipo de personalización sea muy flexible para objetivos específicos de aplicación.

Aprovechar estas nuevas geometrías va a permitir avances importantes en la fabricación de todo tipo de maquinaria y electrodomésticos. Nuestra investigación ayudará a poner estos resultados en manos de ingenieros alrededor del mundo, que pueden explotar nuevas técnicas que permiten mayor transferencia de calor. Es muy emocionante.

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