Concezione

La progettazione architettonica della superficie aumenterebbe l’efficienza degli scambiatori di calore stampati in 3D

Immagine: Università di Glasgow

Uno scambiatore di calore è un dispositivo utilizzato per trasferire calore o energia termica tra due o più fluidi o da un mezzo all’altro.

Gli scambiatori di calore possono essere esplorati in un’ampia gamma di applicazioni pratiche. Possono essere utilizzati nei processi di raffreddamento e riscaldamento, refrigerazione, celle a combustibile e tipi di motori a combustione interna utilizzati in automobili e aeroplani.

Nel tentativo di migliorare il processo di produzione di questi dispositivi, un team di ingegneri di l’università di glasgow studiato un metodo che sfrutta le proprietà uniche delle superfici microscopiche. Il risultato di questo progetto è un nuovo tipo di scambiatore di calore leggero e stampato in 3D con un design simile a un labirinto. In pratica, il nuovo scambiatore di calore sarebbe più compatto ed efficiente rispetto ai suoi omologhi convenzionali.

Sebbene sia solo un decimo delle dimensioni, si dice che il sistema prototipo di nuova concezione sia il 50% più efficiente di uno scambiatore di calore convenzionale leader di mercato. La chiave di questa efficienza sta nel la progettazione di superfici architettoniche su cui circolano i liquidi nello scambiatore. Lo scambiatore a forma di cubo aspira l’acqua attraverso un nucleo tempestato di minuscoli fori disposti in a configurazione giroidea.

I giroidi fanno parte di un gruppo di modelli cellulari costruiti utilizzando geometrie di superficie minime triplamente periodiche con superfici periodiche non autointersecanti e altamente simmetriche.

Il team ha scelto di utilizzare un’architettura giroide ripetitiva per il suo scambiatore di calore perché l’efficienza dello scambio termico è correlata alla sua superficie: maggiore è la superficie, maggiore è la possibilità che i fluidi trasmettano la loro energia termica dall’uno all’altro. Ciò significa che gli oggetti con una superficie ampia possono raffreddare o riscaldare i fluidi più velocemente di quelli con una superficie più limitata.

Il loro microscopico giroide, realizzato con un semplice fotopolimero che utilizza una sofisticata stampante 3D, racchiude un’ampia superficie in un cubo compatto che misura 32,2 mm quadrati e pesa solo otto grammi.

Facendo passare l’acqua attraverso questo denso labirinto, i ricercatori sono stati in grado di mostrare variazioni di temperatura da 10 a 20 ºC mentre l’acqua scorreva attraverso il loro scambiatore di calore a una velocità compresa tra 100 e 270 millimetri al minuto.

Il team ha misurato il coefficiente di scambio termico del nuovo scambiatore, la misura della sua efficienza nel trasferire calore tra il fluido e le sue superfici, in modo da poterne determinare le prestazioni rispetto a una serie di scambiatori di calore convenzionali di diverse dimensioni, realizzati con materiali come come polimeri e metalli.

Hanno scoperto che l’efficienza del loro nuovo scambiatore di calore era del 50% superiore a quella di uno scambiatore di calore in controcorrente termodinamicamente equivalente e più efficiente, nonostante il loro nuovo prototipo avesse dimensioni solo del 10%.

il Il dottor Shanmugam Kumardella James Watt School of Engineering dell’Università di Glasgow, ha guidato questo progetto di ricerca. Ha spiegato che hanno già dimostrato come questo tipo di reticolo micro-architetturato e stampato in 3D può essere utilizzato per scopi come batterie riciclabili ad alte prestazioni e lo sviluppo di futuri dispositivi medici “intelligenti” come protesi ed elettrodomestici ortopedici.

Poter sviluppare scambiatori di calore più piccoli, più leggeri e più efficienti potrebbe aiutarci a sviluppare sistemi di refrigerazione che richiedono meno energia, ad esempio, o motori ad alte prestazioni che possono essere raffreddati in modo più efficiente. Non vediamo l’ora di sviluppare questa tecnologia nella ricerca futura.” , Ha aggiunto.

L’articolo della squadra, intitolato ” Scambiatore di calore compatto, micro-architettonico e ad alte prestazioni grazie alla stampa 3D“, è pubblicato su Applied Thermal Engineering. La ricerca è stata finanziata da una compagnia petrolifera nazionale ad Abu Dhabi.

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