Melhoria dos modelos de trocadores de calor com manufatura aditiva

Avanços na manufatura aditiva estão, de repente, tornando possíveis novos projetos de peças que sempre tivemos como garantidos que deveriam ser feitos de uma determinada maneira. Veja o trocador de calor, um componente industrial comum em máquinas de todos os tipos que existe desde a revolução industrial.

A função essencial de um trocador de calor é mover o calor de um lugar para outro, geralmente por fluxo de fluido (gases ou líquidos) através de uma máquina. Eles são usados ​​em quase todas as aplicações industriais, residências e em qualquer lugar onde o calor e o frio sejam importantes:refrigeradores, fornos, sistemas de ar condicionado, transporte, refinarias de petróleo, ambientes comerciais, hospitais e muito mais. A demanda global por trocadores de calor deverá se aproximar de US$ 78,16 bilhões até 2020.

O desafio de tornar os trocadores de calor mais eficientes há muito tempo atormenta os engenheiros industriais. Um trocador de calor típico é feito de metal e possui uma arquitetura retangular composta por ângulos retos, linhas retas e pilhas. Esses são os tipos de formas mais fáceis de fabricar usando técnicas tradicionais, mas não são as melhores formas para maximizar a troca de calor em um espaço pequeno.

Acontece que há uma maneira de tornar os trocadores de calor mais eficientes, mais leves e menos caros – e mais eficazes do que nunca – usando manufatura aditiva. O diretor de ciências da Fast Radius, Bill King, liderou recentemente um projeto de pesquisa na Universidade de Illinois, onde é professor de engenharia mecânica e lidera pesquisas inovadoras em paradigmas de engenharia. O projeto, e o artigo subsequente de coautoria de King, demonstra como peças de trocadores de calor podem ser feitas usando manufatura aditiva, com melhorias significativas em relação aos trocadores de calor tradicionais.

Nesta sessão de perguntas e respostas, King explica exatamente por que a manufatura aditiva melhora o modelo tradicional de trocador de calor e por que essa inovação é tão empolgante para a manufatura em geral.

Quais foram as limitações dos trocadores de calor tradicionais?

A maioria das pessoas está familiarizada com a aparência de um radiador de carro:um banco de tubos com um grande número de aletas finas de metal. É uma forma grande e em bloco, basicamente um retângulo. A maioria dos engenheiros reconhecerá que novas geometrias de trocadores de calor melhorariam o desempenho, mas nunca foi possível alcançá-las até agora.

Na maioria dos projetos, os componentes do trocador de calor possuem geometrias relativamente simples. As passagens de fluido são geralmente retas e suaves. Essas passagens retas e suaves normalmente têm menor transferência de calor em comparação com passagens que são sinuosas e contornadas. Mas infelizmente, passagens sinuosas e contornadas não podem ser feitas usando tecnologias de fabricação tradicionais.

Em alguns desses projetos retangulares, um coletor pode direcionar o fluxo de fluido na máquina, fazendo com que ele flua para regiões de alta ou baixa temperatura – as regiões que são direcionadas para o fluxo de calor. Normalmente, esses coletores são feitos como componentes individuais e separados. Quando os componentes são feitos separadamente e depois montados, há custos e mão de obra extras associados à montagem e às verificações de qualidade.

Fotos de dispositivos manifold fabricados. (a) Forma geral do dispositivo manifold. Vistas frontais de dispositivos manifold (b) sem misturadores estáticos e (c) com misturadores. (d) Esquema de vista lateral de misturadores estáticos com dispositivos manifold integrados.

O que é possível para trocadores de calor usando manufatura aditiva?

Com a manufatura aditiva, você pode explorar o “espaço em branco” disponível fazendo trocadores de calor em uma variedade de formas que têm uma vantagem em termos de eficiência energética, desempenho do sistema e capacidade de mover grandes quantidades de calor usando volumes menores de fluido.

No estudo, escolhemos uma arquitetura comum de trocador de calor - uma placa horizontal aquecida com uma geometria muito simples pela qual a água flui para remover o calor. É uma das configurações mais simples para um trocador de calor. Utilizando a manufatura aditiva, criamos o manifold, a peça que controla o fluxo do fluido, a partir de polímeros manufaturados aditivamente. Testamos nossos projetos usando várias tecnologias e materiais. Um projeto particularmente bem-sucedido foi feito usando a síntese de luz digital de carbono e o éster de cianato, porque esse material é altamente resistente ao calor. O trocador de calor resultante usa estruturas de mistura que fazem com que um fluido frio remova eficientemente o calor de uma placa quente.

Misturador de fita retangular trançado feito com síntese de luz digital de carbono e éster de cianato

O polímero tem uma condutividade térmica muito menor do que o metal, então você não usaria polímero para o componente que precisa transportar calor. Mas com a manufatura aditiva, você pode fabricar os misturadores diretamente nos canais de fluxo e montá-los na placa aquecida. Analisamos dois tipos de estruturas de mistura:estruturas de fita torcida como misturadores estáticos convencionais e uma nova estrutura de asa em forma de chevron.

Imagens de dispositivos fabricados; (a) canal retangular sem misturadores estáticos (canal simples); (b) misturadores de fita trançada de canal retangular; e (c) canal retangular com misturadores chevron.

O que você concluiu?

Conseguimos demonstrar com sucesso melhorias significativas no desempenho do trocador de calor, aumentando a eficiência energética de produtos e ferramentas criados usando projetos fabricados aditivamente. No geral, vimos uma melhoria de 2x no desempenho da transferência de calor na presença das estruturas de mistura produzidas com manufatura aditiva. Este é um grande problema em um sistema onde seu objetivo é remover o máximo de calor possível. É o dobro do calor.

Em outro tipo de situação industrial, em que seu objetivo pode ser maximizar a troca de calor e minimizar o tamanho do dispositivo - por exemplo, ao projetar um automóvel de alto desempenho em que o tamanho e o peso do veículo afetam o desempenho - você pode reduzir o tamanho do o trocador de calor para baixo para alcançar o resultado desejado. A manufatura aditiva torna esse tipo de customização muito flexível para objetivos específicos da aplicação.

O aproveitamento dessas novas geometrias permitirá grandes avanços na fabricação de todos os tipos de máquinas e eletrodomésticos. Nossa pesquisa ajudará a colocar esses resultados nas mãos de engenheiros de todo o mundo, que podem explorar novas técnicas que permitem maior transferência de calor. É muito emocionante.

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