הדפסה בתלת-ממד מייעלת את העיצוב של מחליף החום, והביצועים גדלים פי 20

ב-22 בספטמבר 2021, אוניברסיטת אילינוי השתמשה בטכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית כדי לייצר את הדור הבא של מחליפי חום קטנים במיוחד, והשיגה שיפור ביצועים של עד 2000%.

על מנת לעצב צורות גיאומטריות חדשניות, מהנדסים פיתחו תוכנת תכנון תלת מימדית של מחליף חום עם אופטימיזציה לטופולוגיה. תוכנה זו תוכננה במיוחד כדי לייעל את העיצובים הקיימים של מחליפי חום כדי למקסם את העברת החום תוך מזעור משקל החלק, אשר יכול להיות בעל השפעה משמעותית על תעשיות כגון אנרגיה, אלקטרוניקה, וחלל.

ויליאם קינג, פרופסור למדעי מכונות והנדסה, אמר: "פיתחנו תוכנה לאופטימיזציית צורות לעיצוב מחליפי חום בעלי ביצועים גבוהים. התוכנה מאפשרת לנו לזהות עיצובים תלת-ממדיים השונים באופן משמעותי מעיצובים מסורתיים וטובים יותר."

△העיבוד של מחליף החום המודפס בתלת-ממד, התמונה מגיעה מאוניברסיטת אילינוי

הצורך בעיצוב אופטימלי של מחליף חום

מחליף החום משמש בעיקר להעברת אנרגיית חום מנקודה A לנקודה B. הם חשובים מאוד בתעשיות רבות, וכמעט בכל המערכות המורכבות המייצרות מחליפי חום. כולל מערכות ייצור חשמל, תחבורה, עיבוד נפט וגז, התפלת מים וניהול תרמי של מוצרי אלקטרוניקה לצרכנים.

נכון לעכשיו, ישנם מיליוני מחליפי חום בשימוש ברחבי העולם, ואת הביצועים והיעילות שלהם חשובים מאוד להפחתת פליטות פחמן. אנשים זקוקים מחליפי חום בשטח פנים גבוה כדי לקדם פיזור חום יעיל, ובמקביל להיות קומפקטי וקל משקל. בתעשיות מסוימות כמו תעופה וחלל, לגודל ולאיכות הרכיבים יש השפעה ישירה על הביצועים, ההיקף והעלות של המערכת.

בעשורים האחרונים, העיצוב של מחליף החום לא השתנה הרבה. מוגבל בעיקר על ידי טכנולוגיית ייצור מסורתית, הוא אינו מסוגל לייצר מבנים מורכבים, כגון אופטימיזציה של ערוצים פנימיים לזרימת חום. עם זאת, עם הפיתוח של טכנולוגיית הדפסה 3D מתכת, עיצובים מחליף חום 3D שנחשבו בעבר בלתי אפשרי ניתן לייצר בקלות. כל מה שנדרש הוא כלי תוכנה מיוחד לעיצוב מכשירים חדשים ויעילים יותר.

מחליף חום צינור-in-Tube ממוטב

צוות הפיתוח השתמש בתוכנת תכנון תלת מימדית כדי לפתח סוג מיוחד של מחליף חום הנקרא מחליף צינור בצינור, המשמש לעתים קרובות במערכות מי שתייה ובניית מערכות אנרגיה. המאפיין של מחליף הצינור בצינור הוא כי הצינור הפנימי מקונן בצינור החיצוני. הם גם הקימו קבוצה של סנפירים משולבים בתוך הצינור בעת העיצוב, שהיא תכונת עיצוב פנימית שניתן להשיג רק על ידי טכנולוגיית הדפסה בתלת-ממד.

לאחר השלמת התכנון, המהנדסים הדפיסו את מחליף החום עם AlSi10Mg וביצעו בדיקות ביצועים בסביבת מעבדה. צפיפות ההספק של מחליף החום המודפס בתלת-ממד היא 26.6 וואט/ס"מ מעוקב, וההספק הספציפי הוא 15.7 קילוואט/ק"ג, גבוה בערך פי 20 ממחליפים חום מסחריים דומים.

ננאד מיליקוביץ', פרופסור חבר במחלקה למדעי מכונות והנדסה, אמר: "עיצבנו, ייצרנו ובדקנו מחליף חום אופטימלי בצינור. צפיפות ההספק הנפחית של מחליף החום הממוטב גבוהה בערך מזו של הציוד המסחרי החדיש ביותר של צינור בצינור. 20 פעמים".

▲המבנה הפנימי והמערכת הסובבת את מחליף החום, התמונה מגיעה מאוניברסיטת אילינוי

מחקר זה פורסם בעיתון "פיתוח מחליף חום אולטרה-כוח צפוף באמצעות תכנון אלגוריתמים גנטיים וייצור תוספים". הוא נכתב במשותף על ידי היונקיו מון, דייוויס מקגרגור, ננאד מיליקוביץ' וויליאם קינג.