Una representación de una celda unitaria topológicamente optimizada para un núcleo de intercambiador de calor. El diseño optimizado tiene canales de fluido caliente y fría con intrincadas geometrías y características de superficie compleja. Crédito: Xiaoping Qian / University of Wisconsin-Madison
Al combinar la optimización de la topología y la fabricación de aditivos, un equipo de ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison creó un intercambiador de calor de alta temperatura retorcido que superó a un diseño tradicional de canal recto en transferencia de calor, densidad de potencia y efectividad.
Y utilizaron una técnica innovadora para la impresión 3D, y la prueba, la prueba de concepto del metal.
Los intercambiadores de calor a alta temperatura son componentes esenciales en muchas tecnologías para disipar el calor, con aplicaciones en aeroespacial, generación de energía, procesos industriales y aviación.
“Tradicionalmente, los intercambiadores de calor fluyen fluido caliente y fluido frío a través de tuberías rectas, principalmente porque las tuberías rectas son fáciles de fabricar”, dice Xiaoping Qian, profesor de ingeniería mecánica en UW -Madison. “Pero las tuberías rectas no son necesariamente la mejor geometría para transferir el calor entre los fluidos calientes y fríos”.
La fabricación aditiva permite a los investigadores crear estructuras con geometrías complejas que pueden producir intercambiadores de calor más eficientes. Dada esta libertad de diseño, Qian se propuso descubrir un diseño para los canales de líquido caliente y frío dentro de un intercambiador de calor que maximizaría la transferencia de calor.
Aprovechó su experiencia en optimización de topología, un enfoque de diseño computacional utilizado para estudiar la distribución de materiales en una estructura para lograr ciertos objetivos de diseño. También incorporó una técnica patentada, llamada perímetro proyectado proyectado, que considera limitaciones de fabricación para el diseño general.
Con un diseño optimizado en la mano, Qian trabajó con el colega Dan Thoma, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en UW -Madison, quien dirigió la impresión 3D del intercambiador de calor utilizando una técnica de fabricación de aditivos de metal llamada fusión láser en la cama de polvo.
Desde el exterior, el intercambiador de calor optimizado se ve idéntico a una versión tradicional con un diseño de canal recto, pero sus diseños de núcleo interno son sorprendentemente diferentes. El diseño optimizado tiene canales entrelazados de fluido caliente y fría con intrincadas geometrías y características de superficie compleja. Estas características geométricas complejas guían el flujo de fluido en una ruta de torsión que mejora la transferencia de calor.
El colaborador Mark Anderson, profesor de ingeniería mecánica en UW-Madison, realizó pruebas hidráulicas térmicas en el intercambiador de calor optimizado y un intercambiador de calor tradicional para comparar su rendimiento.
El diseño optimizado no solo fue más efectivo para transferir calor, sino que también logró una densidad de potencia 27% más alta que el intercambiador de calor tradicional. Esa mayor densidad de potencia permite que un intercambiador de calor sea más ligero y más compacto, atributos útiles para aplicaciones aeroespaciales y de aviación.
El equipo detalló los resultados en un artículo publicado en el International Journal of Heat and Mass Transfer.
Si bien investigaciones anteriores han utilizado la optimización de la topología para estudiar diseños de intercambiadores de calor de dos fluidas, Qian dice que este trabajo es el primero en aprovechar la optimización de la topología e imponer limitaciones de fabricación para garantizar que el diseño se pueda construir y probar.
“Optimizar el diseño en la computadora es una cosa, pero realmente hacer y probarlo es algo muy diferente”, dice Qian.
“Es emocionante que nuestro método de optimización haya funcionado. Pudimos fabricar realmente nuestro diseño de intercambiador de calor. Y, a través de pruebas experimentales, demostramos la mejora del rendimiento de nuestro diseño optimizado. El excelente trabajo realizado por los estudiantes, investigadores y científicos postdoctorales en los tres grupos de investigación hicieron posible este avance”.
Sicheng Sun, un reciente Ph.D. Graduado del Grupo de Investigación de Qian es el primer autor en el documento. Los coautores adicionales incluyen a Tiago Augusto Moreira, Behzad Rankouhi, Xinyi Yu e Ian Jentz, todos de UW-Madison.
Los investigadores patentaron su técnica perimetral proyectada a través de la Fundación de Investigación de Antiguos Alumnos de Wisconsin.
Más información: Sicheng Sun et al, optimización de topología, fabricación aditiva y pruebas termohidráulicas de intercambiadores de calor a alta temperatura, International Journal of Heat and Mass Transfer (2025). Doi: 10.1016/j.ijheatMasstransfer.2025.126809
Proporcionado por la Universidad de Wisconsin-Madison
Cita: tocando una nueva caja de herramientas, la tradición de los ingenieros en el intercambiador de calor de alto rendimiento (2025, 12 de mayo) Recuperado el 12 de mayo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-05-05-buck-buck-high-high-exchanger.html
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