Los ingenieros utilizan tecnología de impresión 3D para aumentar el rendimiento del intercambiador de calor en un 2000%

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Un equipo de investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign ha utilizado tecnología de impresión 3D para producir un intercambiador de calor ultracompacto de última generación, logrando aumentos de rendimiento de hasta un 2000%.

Para habilitar la nueva geometría, los ingenieros desarrollaron su propio software de diseño de intercambiadores de calor 3D especialmente diseñado con funcionalidad de optimización de topología. El programa está diseñado específicamente para optimizar los diseños de intercambiadores de calor existentes para maximizar la transferencia de calor y minimizar el peso de las piezas, lo que podría tener importantes implicaciones para industrias como la energía, la electrónica y la aeroespacial.

"Desarrollamos un software de optimización de la forma para diseñar un intercambiador de calor de alto rendimiento", explica William King, profesor de Ingeniería y Ciencias Mecánicas y codirector del estudio. "El software nos permite identificar diseños 3D que son significativamente diferentes y mejores que los diseños convencionales".

La necesidad de avanzar en los intercambiadores de calor.

Los intercambiadores de calor se utilizan simplemente para transferir energía térmica del punto A al punto B. Son cruciales en la mayoría de las industrias importantes y se incluyen en casi todos los sistemas complejos que generan calor. Esto incluye sistemas de generación de energía, transporte, procesamiento de petróleo y gas, desalinización de agua y gestión térmica de productos electrónicos de consumo.

Con millones de intercambiadores de calor en uso en el mundo hoy en día, su rendimiento y eficiencia se han vuelto más importantes que nunca cuando se trata de sostenibilidad global y reducción del consumo de energía. Necesitamos dispositivos de gran superficie que promuevan un flujo de calor eficiente y al mismo tiempo sean compactos y livianos. En algunas industrias como la aeroespacial, esta combinación es particularmente importante ya que el tamaño y la masa de las piezas tienen un impacto directo en el rendimiento, el alcance y los costos del sistema.

Desafortunadamente, según los investigadores de Illinois, los diseños de los intercambiadores de calor no han cambiado mucho en las últimas décadas. Limitados por las tecnologías de fabricación convencionales, no hemos podido integrar estructuras complejas como canales internos que optimicen el flujo de calor. Sin embargo, ahora que la impresión 3D en metal es una opción viable, se pueden fabricar con facilidad diseños de intercambiadores de calor 3D que antes se consideraban imposibles. Todo lo que se necesitaba era una herramienta de software dedicada para diseñar dispositivos nuevos y más eficientes.

Un intercambiador de calor tubo dentro de tubos optimizado

Utilizando su software de diseño 3D, el equipo estudió un tipo especial de intercambiador de calor llamado intercambiador de tubo en tubo, que se encuentra a menudo en sistemas de agua potable y sistemas de energía de edificios. Como sugiere el nombre, los intercambiadores de tubo dentro de tubos cuentan con un tubo interior anidado dentro de un tubo exterior. El diseño de Illinois también tenía un conjunto de aletas integradas en el interior de los tubos, una característica de diseño interno que sólo es posible gracias a la tecnología de impresión 3D.

Una vez finalizado el diseño optimizado, los ingenieros imprimieron el intercambiador de calor utilizando AlSi10Mg y lo probaron en un entorno de laboratorio. Se encontró que el dispositivo tenía una densidad de potencia de 26,6 W/cm3 y una potencia específica de 15,7 kW/kg, que es aproximadamente 20 veces mayor que la de intercambiadores de calor comerciales comparables.

"Diseñamos, fabricamos y probamos un intercambiador de calor de tubo dentro de tubo optimizado", dijo Nenad Miljkovic, profesor asociado de Ciencias e Ingeniería Mecánica y codirector del estudio. "Nuestro intercambiador de calor optimizado tiene una densidad de potencia volumétrica aproximadamente 20 veces mayor que un dispositivo comercial de tubo en tubo de última generación actual".

Se pueden encontrar más detalles del estudio en el artículo titulado "Desarrollo de intercambiadores de calor de densidad ultraalta mediante diseño de algoritmos genéticos y fabricación aditiva". Es coautor de Hyunkyu Moon, Davis McGregor, Nenad Miljkovic y William King.

A principios de este mes, investigadores de la Universidad RMIT, Australia, desarrollaron un conjunto de intercambiadores de calor impresos en 3D de próxima generación impulsados ​​por combustible para aviones. Los catalizadores impresos en 3D, como se les llama, son intercambiadores de calor metálicos recubiertos de minerales sintéticos conocidos como zeolitas. Al utilizar combustible para aviones como refrigerante, podrían ser la clave para resolver uno de los mayores problemas de los vuelos hipersónicos: el sobrecalentamiento.

Por otra parte, GE Research, el ala de I+D del conglomerado estadounidense GE, probó recientemente con éxito su propio novedoso prototipo de intercambiador de calor impreso en 3D a temperaturas de hasta 900°C. Diseñado junto con la Universidad de Maryland y el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL), el dispositivo de regulación térmica de subescala de GE Research presenta una geometría única similar a la de una uva que le proporciona cualidades de resistencia extrema al calor y la presión.

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La imagen destacada muestra una representación del intercambiador de calor impreso en 3D optimizado. Imagen vía Universidad de Illinois.

Kubi Sertoglu es licenciado en Ingeniería Mecánica y combina una afinidad por la escritura con una formación técnica para ofrecer las últimas noticias y reseñas sobre fabricación aditiva.