In 3D tối ưu hóa thiết kế của bộ trao đổi nhiệt và hiệu suất được tăng gấp 20 lần

Vào ngày 22 tháng 9 năm 2021, Đại học Illinois đã sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất thế hệ trao đổi nhiệt siêu nhỏ tiếp theo, đạt được cải thiện hiệu suất lên tới 2000%.

Để thiết kế các hình dạng hình học sáng tạo, các kỹ sư đã phát triển một phần mềm thiết kế trao đổi nhiệt ba chiều với tối ưu hóa tô pô. Phần mềm này được thiết kế đặc biệt để tối ưu hóa các thiết kế trao đổi nhiệt hiện có để tối đa hóa việc truyền nhiệt trong khi giảm thiểu trọng lượng một phần, có thể có tác động đáng kể đến các ngành công nghiệp như năng lượng, điện tử và hàng không vũ trụ.

William King, Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Cơ khí, cho biết: "Chúng tôi đã phát triển phần mềm tối ưu hóa hình dạng để thiết kế bộ trao đổi nhiệt hiệu suất cao. Phần mềm này cho phép chúng tôi xác định các thiết kế 3D khác biệt đáng kể so với các thiết kế truyền thống và tốt hơn".

△Kết xuất của bộ trao đổi nhiệt in 3D được tối ưu hóa, hình ảnh đến từ Đại học Illinois

Sự cần thiết của thiết kế tối ưu của bộ trao đổi nhiệt

Bộ trao đổi nhiệt chủ yếu được sử dụng để truyền năng lượng nhiệt từ điểm A đến điểm B. Chúng rất quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, và hầu như tất cả các hệ thống phức tạp tạo ra bộ trao đổi nhiệt sử dụng nhiệt. Bao gồm hệ thống phát điện, vận tải, chế biến dầu khí, khử muối nước và quản lý nhiệt của các thiết bị điện tử tiêu dùng.

Hiện tại, có hàng triệu bộ trao đổi nhiệt được sử dụng trên toàn thế giới, và hiệu suất và hiệu quả của chúng rất quan trọng để giảm lượng khí thải carbon. Mọi người cần bộ trao đổi nhiệt diện tích bề mặt cao để thúc đẩy tản nhiệt hiệu quả, đồng thời nhỏ gọn và nhẹ. Trong một số ngành công nghiệp như hàng không vũ trụ, kích thước và chất lượng của các thành phần có tác động trực tiếp đến hiệu suất, phạm vi và chi phí của hệ thống.

Trong vài thập kỷ qua, thiết kế của bộ trao đổi nhiệt không thay đổi nhiều. Chủ yếu bị giới hạn bởi công nghệ sản xuất truyền thống, nó không thể sản xuất các cấu trúc phức tạp, chẳng hạn như tối ưu hóa các kênh bên trong cho dòng nhiệt. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ in 3D kim loại, các thiết kế trao đổi nhiệt 3D trước đây được coi là không thể có thể dễ dàng sản xuất. Tất cả những gì cần thiết là một công cụ phần mềm chuyên dụng để thiết kế các thiết bị mới và hiệu quả hơn.

Bộ trao đổi nhiệt ống trong ống được tối ưu hóa

Nhóm phát triển đã sử dụng phần mềm thiết kế ba chiều để phát triển một loại trao đổi nhiệt đặc biệt được gọi là bộ trao đổi ống trong ống, thường được sử dụng trong các hệ thống nước uống và xây dựng hệ thống năng lượng. Đặc điểm của bộ trao đổi ống trong ống là ống bên trong được lồng vào ống bên ngoài. Họ cũng thiết lập một bộ vây tích hợp bên trong ống khi thiết kế, đây là một tính năng thiết kế bên trong chỉ có thể đạt được bằng công nghệ in 3D.

Sau khi thiết kế được hoàn thiện, các kỹ sư đã in bộ trao đổi nhiệt với AlSi10Mg và thực hiện các bài kiểm tra hiệu suất trong môi trường phòng thí nghiệm. Mật độ năng lượng của bộ trao đổi nhiệt in 3D là 26,6 watt / phân khối và công suất cụ thể là 15,7 kW / kg, cao hơn khoảng 20 lần so với các bộ trao đổi nhiệt thương mại tương tự.

Nenad Miljkovic, phó giáo sư của Khoa Khoa học và Kỹ thuật Cơ khí, cho biết: "Chúng tôi đã thiết kế, sản xuất và thử nghiệm một bộ trao đổi nhiệt ống trong ống được tối ưu hóa. Mật độ năng lượng thể tích của bộ trao đổi nhiệt được tối ưu hóa xấp xỉ cao hơn so với thiết bị ống thương mại hiện đại hiện tại. 20 lần".

▲Cấu trúc bên trong và hệ thống xung quanh của bộ trao đổi nhiệt, bức tranh đến từ Đại học Illinois

Nghiên cứu này đã được công bố trong bài báo "Phát triển trao đổi nhiệt cực kỳ dày đặc thông qua thiết kế thuật toán di truyền và sản xuất phụ gia". Nó được đồng tác giả bởi Hyunkyu Moon, Davis McGregor, Nenad Miljkovic và William King.