Engenheiros usam tecnologia de impressão 3D para aumentar o desempenho do trocador de calor em 2.000%

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Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign usou tecnologia de impressão 3D para produzir um trocador de calor ultracompacto de próxima geração, alcançando aumentos de desempenho de até 2.000%.

Para permitir a nova geometria, os engenheiros desenvolveram seu próprio software de projeto de trocador de calor 3D especialmente desenvolvido com funcionalidade de otimização de topologia. O programa foi projetado especificamente para otimizar projetos de trocadores de calor existentes para maximizar a transferência de calor e, ao mesmo tempo, minimizar o peso da peça, o que poderia ter implicações importantes para indústrias como energia, eletrônica e aeroespacial.

“Desenvolvemos um software de otimização de forma para projetar um trocador de calor de alto desempenho”, explica William King, professor de Ciência Mecânica e Engenharia e co-líder do estudo. “O software nos permite identificar projetos 3D que são significativamente diferentes e melhores que os projetos convencionais.”

A necessidade de avançar nos trocadores de calor

Os trocadores de calor são usados ​​simplesmente para transferir energia térmica do ponto A ao ponto B. Eles são cruciais na maioria das grandes indústrias e estão presentes em quase todos os sistemas complexos que geram calor. Isso inclui sistemas de geração de energia, transporte, processamento de petróleo e gás, dessalinização de água e gerenciamento térmico para produtos eletrônicos de consumo.

Com milhões de trocadores de calor em uso no mundo hoje, seu desempenho e eficiência tornaram-se mais importantes do que nunca quando se trata de sustentabilidade global e redução do consumo de energia. Precisamos de dispositivos de grande área superficial que promovam um fluxo de calor eficiente e ao mesmo tempo sejam compactos e leves. Em alguns setores como o aeroespacial, essa combinação é particularmente importante, pois o tamanho e a massa das peças têm um impacto direto no desempenho, no alcance e nos custos do sistema.

Infelizmente, de acordo com os pesquisadores de Illinois, os projetos dos trocadores de calor não mudaram muito nas últimas décadas. Limitados pelas tecnologias de fabricação convencionais, não conseguimos integrar estruturas complexas como canais internos que otimizam o fluxo de calor. No entanto, com a impressão 3D de metal sendo agora uma opção viável, projetos de trocadores de calor 3D que antes eram considerados impossíveis podem ser fabricados com facilidade. Tudo o que era necessário era uma ferramenta de software dedicada para projetar dispositivos novos e mais eficientes.

Um trocador de calor tubo a tubo otimizado

Usando seu software de design 3D, a equipe estudou um tipo especial de trocador de calor chamado trocador tubo a tubo, que é frequentemente encontrado em sistemas de água potável e sistemas de energia de edifícios. Como o nome sugere, os trocadores tubo a tubo apresentam um tubo interno aninhado dentro de um tubo externo. O design de Illinois também tinha um conjunto de aletas integradas na parte interna dos tubos – um recurso de design interno que só foi possível graças à tecnologia de impressão 3D.

Depois que o projeto otimizado foi finalizado, os engenheiros imprimiram o trocador de calor usando AlSi10Mg e testaram seu desempenho em ambiente de laboratório. Descobriu-se que o dispositivo tinha uma densidade de potência de 26,6 W/cm3 e uma potência específica de 15,7 kW/kg, que é supostamente cerca de 20 vezes maior do que a de trocadores de calor comerciais comparáveis.

“Projetamos, fabricamos e testamos um trocador de calor tubo a tubo otimizado”, disse Nenad Miljkovic, professor associado de Ciência Mecânica e Engenharia e co-líder do estudo. “Nosso trocador de calor otimizado tem densidade de potência volumétrica cerca de 20 vezes maior do que um dispositivo tubo-em-tubo comercial de última geração.”

Mais detalhes do estudo podem ser encontrados no artigo intitulado 'Desenvolvimento de trocador de calor ultra-denso de energia por meio de projeto de algoritmo genético e fabricação aditiva'. É coautor de Hyunkyu Moon, Davis McGregor, Nenad Miljkovic e William King.

No início deste mês, pesquisadores da Universidade RMIT, na Austrália, desenvolveram um conjunto de trocadores de calor impressos em 3D de próxima geração movidos a combustível de aviação. Os catalisadores impressos em 3D, como são chamados, são trocadores de calor metálicos revestidos com minerais sintéticos conhecidos como zeólitas. Usando combustível de aviação como refrigerante, eles podem ser a chave para resolver um dos maiores problemas do voo hipersônico: o superaquecimento.