Команда инженеров Университета Висконсин-Мэдисон создала высокотемпературный теплообменник необычной формы, который превзошёл традиционные устройства с прямыми каналами по теплопередаче, плотности мощности и эффективности. Для доказательства концепции была использована особая техника 3D-печати.
Высокотемпературные теплообменники являются важнейшими компонентами многих технологий для отвода тепла и применяются в аэрокосмической промышленности, энергетике, промышленных процессах и авиации.
«Традиционно теплообменники пропускают горячую и холодную жидкость через прямые трубы, в основном потому, что прямые трубы легко изготовить, — говорит Сяопин Цянь, профессор машиностроения в UW-Madison. — Но прямые трубы не всегда являются наилучшей геометрией для передачи тепла между горячей и холодной жидкостями».
Аддитивное производство позволяет исследователям создавать конструкции со сложной геометрией, которые могут стать более эффективными теплообменниками. Цянь задался целью найти такую конструкцию каналов для горячей и холодной жидкости внутри теплообменника, которая обеспечила бы максимальную теплопередачу.
Он использовал свой опыт в топологической оптимизации — подходе к вычислительному проектированию, используемом для изучения распределения материалов в конструкции для достижения определённых целей.
С оптимизированной конструкцией Цянь работал с коллегой Дэном Тома (Dan Thoma), профессором материаловедения и инженерии в UW-Madison, который руководил 3D-печатью теплообменника с использованием технологии аддитивного производства металлов, лазерным наплавлением порошка.
Рендеринг топологически оптимизированной элементарной ячейки для сердечника теплообменника. Оптимизированная конструкция имеет каналы для горячей и холодной жидкости с замысловатой геометрией и сложными поверхностными характеристиками.
Снаружи оптимизированный теплообменник выглядит идентично традиционной версии с прямым каналом, но их внутренние конструкции разительно отличаются. Оптимизированная конструкция имеет переплетающиеся каналы для горячей и холодной жидкости с замысловатой геометрией и сложными поверхностями. Эти сложные геометрические особенности направляют поток жидкости по извилистой траектории, что улучшает итоговую теплопередачу.
Оптимизированная конструкция не только эффективнее передавала тепло, но и обеспечивала на 27% более высокую плотность мощности, чем традиционный теплообменник. Такая высокая плотность мощности позволяет сделать теплообменник более лёгким и компактным, что очень важно для аэрокосмической и авиационной техники.
