Revolucionando o Design de Trocadores de Calor Através da Manufatura Aditiva

Avanços na manufatura aditiva estão repentinamente tornando possíveis novos designs de peças que sempre presumimos que tinham que ser feitos de uma certa maneira. Pegue 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 calor de um lugar para outro, geralmente por fluxo de fluido (gases ou líquidos) através de uma peça de maquinário. Eles são usados em quase todas as aplicações industriais, residências e em qualquer lugar que calor e frio importam: geladeiras, fornos, sistemas de AC, transporte, refinarias de petróleo, ambientes comerciais, hospitais e mais. A demanda global por trocadores de calor deve se aproximar de US$ 78,16 bilhões até 2020.

O desafio de tornar trocadores de calor mais eficientes há muito atormenta engenheiros industriais. Um trocador de calor típico é feito com metal e tem uma arquitetura retangular composta de ângulos retos, linhas retas e pilhas. Estes são os tipos de formas mais facilmente fabricados 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 trocadores de calor mais eficientes, leves e menos caros — e mais eficazes do que nunca — usando manufatura aditiva. O Diretor Científico da Fast Radius, Bill King, liderou recentemente um projeto de pesquisa na Universidade de Illinois, onde ele é Professor de Engenharia Mecânica e lidera pesquisas inovadoras em paradigmas de engenharia. O projeto, e o artigo subsequente co-escrito por King, demonstra como partes de trocadores de calor podem ser feitas usando manufatura aditiva, com melhorias significativas sobre trocadores de calor tradicionais.

Nesta Q&A, King compartilha sua visão sobre exatamente por que a manufatura aditiva melhora o modelo tradicional de um trocador de calor e por que esta inovação é tão empolgante para a fabricação em geral.

Quais têm sido 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 metálicas finas. É uma forma grande e 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 designs, os componentes do trocador de calor têm geometrias relativamente simples. Passagens de fluido são geralmente retas e lisas. Essas passagens retas e lisas normalmente têm menor transferência de calor comparadas a passagens que são tortuosas e contorneadas. Mas infelizmente, passagens tortuosas e contorneadas não podem ser feitas usando tecnologias de fabricação tradicionais.

Em alguns desses designs retangulares, um coletor pode direcionar o fluxo de fluido na máquina, fazendo-o fluir para regiões de alta temperatura ou baixa temperatura — as regiões alvo para fluxo de calor. Tipicamente, esses coletores são feitos como componentes individuais, separados. Quando componentes são feitos separadamente e depois montados, há custo e mão de obra extra associados à montagem e verificações de qualidade.

Imagens de dispositivos de coletor fabricados. (a) Forma geral do dispositivo de coletor. Vistas frontais de dispositivos de coletor (b) sem misturadores estáticos e (c) com misturadores. (d) Vista lateral esquemática de misturadores estáticos com dispositivos de coletor integrados.

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

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

No estudo, escolhemos uma arquitetura comum de trocador de calor — uma placa aquecida horizontal com uma geometria muito simples sobre a qual a água flui para remover calor. É uma das configurações mais simples para um trocador de calor. Usando manufatura aditiva, criamos o coletor, a parte que controla o fluxo de fluido, a partir de polímero fabricado aditivamente. Testamos nossos designs usando várias tecnologias e materiais. Um design particularmente bem-sucedido foi feito usando Carbon Digital Light Synthesis e Éster Cianato, porque esse material é altamente resistente ao calor. O trocador de calor resultante usa estruturas de mistura que fazem um fluido frio remover calor de uma placa quente de forma eficiente.

Misturador de fita torcida retangular feito usando Carbon Digital Light Synthesis e Éster Cianato

O polímero tem condutividade térmica muito menor que o metal, então você não usaria polímero para o componente que precisa conduzir calor. Mas com manufatura aditiva, você pode fabricar os misturadores diretamente nos canais de fluxo e então 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 offset em forma de chevron.

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

O que você concluiu?

Fomos capazes de demonstrar com sucesso melhorias significativas no desempenho do trocador de calor, aumentando a eficiência energética de produtos e ferramentas criados usando designs fabricados aditivamente. No geral, vimos cerca de 2x de melhoria no desempenho de transferência de calor na presença das estruturas de mistura produzidas com manufatura aditiva. Isso é muito importante em um sistema onde seu objetivo é remover o máximo de calor possível. É o dobro do calor.

Em outro tipo de situação industrial, onde seu objetivo pode ser maximizar a troca de calor enquanto minimiza o tamanho do dispositivo — por exemplo, ao projetar um automóvel de performance onde o tamanho e peso do veículo impactam o desempenho — você poderia reduzir o tamanho do trocador de calor para alcançar o resultado desejado. A manufatura aditiva torna este tipo de personalização muito flexível para objetivos específicos de aplicação.

Aproveitar estas novas geometrias vai permitir grandes avanços na fabricação de todos os tipos de maquinário e eletrodomésticos. Nossa pesquisa ajudará a colocar esses resultados nas mãos de engenheiros ao redor do mundo, que podem explorar novas técnicas que permitem maior transferência de calor. É muito empolgante.

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