L’impression 3D optimise la conception de l’échangeur de chaleur et les performances sont multipliées par 20

Le 22 septembre 2021, l’Université de l’Illinois a utilisé la technologie d’impression 3D pour produire la prochaine génération d’échangeurs de chaleur ultra-petits, obtenant une amélioration des performances allant jusqu’à 2000%.

Afin de concevoir des formes géométriques innovantes, les ingénieurs ont développé un logiciel de conception d’échangeur de chaleur tridimensionnel avec optimisation de la topologie. Ce logiciel est spécialement conçu pour optimiser les conceptions d’échangeurs de chaleur existantes afin de maximiser le transfert de chaleur tout en minimisant le poids des pièces, ce qui peut avoir un impact significatif sur des industries telles que l’énergie, l’électronique et l’aérospatiale.

William King, professeur de sciences et d’ingénierie mécaniques, a déclaré: « Nous avons développé un logiciel d’optimisation de la forme pour concevoir des échangeurs de chaleur haute performance. Le logiciel nous permet d’identifier les conceptions 3D qui sont significativement différentes des conceptions traditionnelles et qui sont meilleures. »

△Le rendu de l’échangeur de chaleur optimisé imprimé en 3D, l’image provient de l’Université de l’Illinois

La nécessité d’une conception optimale de l’échangeur de chaleur

L’échangeur de chaleur est principalement utilisé pour transférer l’énergie thermique d’un point A à un point B. Ils sont très importants dans de nombreuses industries, et presque tous les systèmes complexes qui génèrent de la chaleur utilisent des échangeurs de chaleur. Y compris les systèmes de production d’électricité, le transport, le traitement du pétrole et du gaz, le dessalement de l’eau et la gestion thermique de l’électronique grand public.

Actuellement, il existe des millions d’échangeurs de chaleur utilisés dans le monde entier, et leurs performances et leur efficacité sont très importantes pour réduire les émissions de carbone. Les gens ont besoin d’échangeurs de chaleur de grande surface pour favoriser une dissipation thermique efficace, tout en étant compacts et légers. Dans certaines industries comme l’aérospatiale, la taille et la qualité des composants ont un impact direct sur les performances, la portée et le coût du système.

Au cours des dernières décennies, la conception de l’échangeur de chaleur n’a pas beaucoup changé. Principalement limitée par la technologie de fabrication traditionnelle, elle est incapable de fabriquer des structures complexes, telles que l’optimisation des canaux internes pour le flux de chaleur. Cependant, avec le développement de la technologie d’impression 3D métal, les conceptions d’échangeurs de chaleur 3D qui étaient auparavant considérées comme impossibles peuvent être facilement fabriquées. Tout ce qu’il faut, c’est un outil logiciel spécialisé pour concevoir de nouveaux appareils plus efficaces.

Échangeur de chaleur tube-dans-tube optimisé

L’équipe de développement a utilisé un logiciel de conception tridimensionnelle pour développer un type spécial d’échangeur de chaleur appelé échangeur tube-dans-tube, qui est souvent utilisé dans les systèmes d’eau potable et les systèmes énergétiques des bâtiments. La caractéristique de l’échangeur tube-dans-tube est que la chambre à air est imbriquée dans le tube extérieur. Ils ont également mis en place un ensemble d’ailettes intégrées à l’intérieur du tube lors de la conception, ce qui est une caractéristique de conception interne qui ne peut être obtenue que par la technologie d’impression 3D.

Une fois la conception finalisée, les ingénieurs ont imprimé l’échangeur de chaleur avec AlSi10Mg et ont effectué des tests de performance dans un environnement de laboratoire. La densité de puissance de l’échangeur de chaleur imprimé en 3D est de 26,6 watts / centimètre cube et la puissance spécifique est de 15,7 kW / kg, ce qui est environ 20 fois plus élevé que les échangeurs de chaleur commerciaux similaires.

Nenad Miljkovic, professeur agrégé au Département des sciences et du génie mécaniques, a déclaré: « Nous avons conçu, fabriqué et testé un échangeur de chaleur tube-dans-tube optimisé. La densité de puissance volumétrique de l’échangeur de chaleur optimisé est approximativement supérieure à celle de l’équipement commercial tube-dans-tube à la fine pointe de la technologie. 20 fois ».

▲La structure interne et le système environnant de l’échangeur de chaleur, l’image provient de l’Université de l’Illinois

Cette recherche a été publiée dans l’article « Ultra-power-dense heat exchanger development through genetic algorithm design and additive manufacturing ». Il a été co-écrit par Hyunkyu Moon, Davis McGregor, Nenad Miljkovic et William King.