Diseño del nuevo intercambiador de calor que muestra la forma exterior y las características tridimensionales internas. El refrigerante fluye a través de una capa (izquierda) cuya forma promueve la condensación del refrigerante, y el agua fluye a través de aletas onduladas (derecha) que ofrecen una alta transferencia de calor gracias a su gran área de superficie. Los colores indican distribuciones de temperatura dentro de esas capas según lo predicho por simulaciones por computadora. Crédito: Grupo de tecnología de imágenes
Miles de millones de intercambiadores de calor están en uso en todo el mundo. Estos dispositivos, cuyo propósito es transferir el calor entre los fluidos, son ubicuos en muchas aplicaciones comunes: aparecen en sistemas HVAC, refrigeradores, automóviles, barcos, aviones, instalaciones de tratamiento de aguas residuales, teléfonos celulares, centros de datos y operaciones de refinación de petróleo, entre muchos otros entornos.
Ahora, un estudio recientemente publicado en el International Journal of Heat and Mass Transfer de Bill King, Nenad Miljkovic y sus colegas está aportando una innovación muy atrasada al diseño de intercambiadores de calor. Están utilizando la fabricación aditiva, también conocida como impresión 3D, para crear intercambiadores de calor con una funcionalidad dramáticamente superior.
“El diseño de los intercambiadores de calor, la configuración de geometría mecánica de los intercambiadores de calor, no ha cambiado en décadas”, explica King, el líder del proyecto y un profesor y Ralph A. Andersen, presidente de ciencia e ingeniería mecánica. “Los intercambiadores de calor que tenemos hoy se ven casi exactamente como los intercambiadores de calor que teníamos hace 30 años. Y la razón por la que ha habido tan poca innovación en los intercambiadores de calor ha sido que están fundamentalmente limitados por el proceso de fabricación”.
El diseño preciso de las formas tridimensionales dentro de estos dispositivos puede optimizar las compensaciones entre tres factores clave: la tasa de transferencia de calor, la cantidad de trabajo que debe aplicarse para lograr la transferencia y el tamaño del intercambiador de calor. Pero los métodos de fabricación tradicionales han significado que muchas formas deseables eran inalcanzables en la práctica.
“Si pudiera tener alguna forma, podría no ser las formas representadas por las tecnologías existentes del intercambiador de calor”, dice King.
Sin embargo, con la fabricación aditiva, el cielo es el límite.
“Podemos hacer muchas, muchas formas, casi un número infinito de formas que no son posibles con las tecnologías de fabricación de hoy”, dice King. “Y por lo tanto, podemos hacer formas que permitan geometrías 3D complicadas. Podemos vincular pasajes grandes para el flujo de fluidos que promueven un movimiento fácil de fluido, con pequeños pasajes que promueven una alta transferencia de calor. Por lo tanto, podemos hacer cosas que tienen formas tridimensionales que permiten que los fluidos se mezclaran y enruten de manera poco convencional”.
En un proyecto con la Marina de los EE. UU., El equipo diseñó, fabricó y probó con éxito un intercambiador de calor de dos fases fabricado aditivamente, lo que significa que el refrigerante entra como un vapor y luego se enfría y deja como un líquido, transfiriendo su calor al agua de enfriamiento que también fluye a través del intercambiador de calor.
El dispositivo tiene geometrías 3D complicadas que mejoran significativamente la transferencia de calor, geometrías que no habrían sido fabricables con la fabricación convencional. Según una medida, su intercambiador de calor supera a los diseños tradicionales en un 30% a 50% para la misma cantidad de potencia.
“Hacer mejores intercambiadores de calor de dos fases es fundamental para futuros sistemas de eficiencia energética”, dijo Nenad Miljkovic, co-líder del proyecto y profesor fundador de ciencias mecánicas e ingeniería. “Con la fabricación aditiva, aumentamos la densidad de potencia volumétrica y gravimétrica del intercambiador de calor, lo que resulta en una masa más baja y una mayor compacidad.
“Esto da como resultado un mayor nivel de rendimiento, y también permite la integración de dispositivos de alta potencia en aplicaciones móviles como automóviles, barcos y aviones, que clásicamente no se pueden lograr con la tecnología de intercambiador de calor de última generación”.
Como parte de la investigación, el equipo desarrolló herramientas de modelado y simulación que les permitieron probar virtualmente decenas de miles de configuraciones posibles con diferentes tamaños, formas y formas que los flujos se moverían de un lado a otro dentro del intercambiador de calor. Esas herramientas les permitieron explorar y optimizar dentro del enorme espacio de diseño habilitado por la fabricación aditiva.
El equipo de Illinois colaboró con dos compañías en este proyecto, Creative Thermal Solutions Inc. y Taumat Inc., que trabajan en tecnologías de eficiencia energética.
El equipo ahora continúa su trabajo en esta área, construyendo aún más las capacidades de modelado para que puedan explorar aún más diseños.
Más información: Omar M. Zaki et al, condensador de refrigerante compacto refrigerado por agua compacto con aditivos, Revista Internacional de Transferencia de calor y masa (2025). Doi: 10.1016/j.ijheatMasstransfer.2025.126836
Proporcionado por la Universidad de Illinois Grainger College of Engineering
Cita: el intercambiador de calor de fabricación de manera adicional supera los diseños tradicionales (2025, 17 de abril) Recuperado el 17 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-additivy-exchanger-traditional.html
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