การพิมพ์ 3 มิติช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น 20 เท่า

เมื่อวันที่ 22 กันยายน พ.ศ. 2564 มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติเพื่อผลิตเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนขนาดเล็กพิเศษรุ่นต่อไป ซึ่งได้รับการปรับปรุงประสิทธิภาพสูงสุดถึง 2000%

เพื่อออกแบบรูปทรงเรขาคณิตที่เป็นนวัตกรรมใหม่ วิศวกรได้พัฒนาซอฟต์แวร์การออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนสามมิติพร้อมการปรับโทโพโลยีให้เหมาะสมที่สุด ซอฟต์แวร์นี้ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีอยู่เพื่อเพิ่มการถ่ายเทความร้อนในขณะที่ลดน้ำหนักชิ้นส่วนให้น้อยที่สุด ซึ่งอาจส่งผลกระทบอย่างมากต่ออุตสาหกรรมต่างๆ เช่น พลังงาน อิเล็กทรอนิกส์ และการบินและอวกาศ

William King ศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์เครื่องกลและวิศวกรรมศาสตร์ กล่าวว่า"เราได้พัฒนาซอฟต์แวร์การปรับรูปร่างให้เหมาะสมเพื่อออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประสิทธิภาพสูง ซอฟต์แวร์ช่วยให้เราสามารถระบุการออกแบบ 3D ที่แตกต่างจากการออกแบบแบบดั้งเดิมอย่างมากและดีกว่า"

△การเรนเดอร์เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพิมพ์ 3 มิติที่ได้รับการปรับปรุง ภาพที่มาจากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์

ความจำเป็นของการออกแบบที่เหมาะสมที่สุดของ Heat Exchanger

ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนส่วนใหญ่จะใช้เพื่อถ่ายเทพลังงานความร้อนจากจุด A ไปยังจุด B ซึ่งมีความสำคัญมากในหลายอุตสาหกรรม และระบบที่ซับซ้อนเกือบทั้งหมดที่สร้างเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบใช้ความร้อน รวมถึงระบบผลิตไฟฟ้า การขนส่ง การแปรรูปน้ำมันและก๊าซ การแยกเกลือออกจากน้ำ และการจัดการความร้อนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค

ปัจจุบันมีเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหลายล้านเครื่องใช้งานอยู่ทั่วโลก และประสิทธิภาพและประสิทธิภาพของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนมีความสำคัญมากในการลดการปล่อยคาร์บอน ผู้คนต้องการตัวแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีพื้นที่ผิวสูงเพื่อส่งเสริมการกระจายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะที่ยังมีขนาดกะทัดรัดและน้ำหนักเบา ในบางอุตสาหกรรม เช่น การบินและอวกาศ ขนาดและคุณภาพของส่วนประกอบมีผลกระทบโดยตรงต่อประสิทธิภาพ ขอบเขต และต้นทุนของระบบ

ในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมา การออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนไม่ได้เปลี่ยนแปลงไปมากนัก ส่วนใหญ่ถูกจำกัดด้วยเทคโนโลยีการผลิตแบบดั้งเดิม ทำให้ไม่สามารถผลิตโครงสร้างที่ซับซ้อนได้ เช่น การปรับช่องทางภายในให้เหมาะสมสำหรับการไหลของความร้อน อย่างไรก็ตาม ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการพิมพ์โลหะ 3 มิติ การออกแบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อน 3 มิติที่ก่อนหน้านี้ถือว่าเป็นไปไม่ได้นั้นสามารถผลิตได้อย่างง่ายดาย สิ่งที่จำเป็นคือเครื่องมือซอฟต์แวร์เฉพาะทางเพื่อออกแบบอุปกรณ์ใหม่และมีประสิทธิภาพมากขึ้น

ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อในท่อที่เหมาะสมที่สุด

ทีมพัฒนาใช้ซอฟต์แวร์การออกแบบสามมิติเพื่อพัฒนาเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดพิเศษที่เรียกว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อในท่อ ซึ่งมักใช้ในระบบน้ำดื่มและอาคารระบบพลังงาน ลักษณะของตัวแลกเปลี่ยนท่อในท่อคือยางในซ้อนอยู่ในท่อนอก พวกเขายังตั้งค่าชุดครีบแบบบูรณาการภายในท่อเมื่อออกแบบ ซึ่งเป็นคุณลักษณะการออกแบบภายในที่สามารถทำได้ด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติเท่านั้น

หลังจากการออกแบบเสร็จสิ้น วิศวกรได้พิมพ์ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนด้วย AlSi10Mg และทำการทดสอบประสิทธิภาพในสภาพแวดล้อมของห้องปฏิบัติการ ความหนาแน่นพลังงานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพิมพ์ 3 มิติคือ 26.6 วัตต์/ลูกบาศก์เซนติเมตร และกำลังไฟฟ้าจำเพาะ 15.7 กิโลวัตต์/กก. ซึ่งสูงกว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเชิงพาณิชย์ที่คล้ายกันประมาณ 20 เท่า

Nenad Miljkovic รองศาสตราจารย์ของ Department of Mechanical Science and Engineering กล่าวว่า:"เราได้ออกแบบ ผลิต และทดสอบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบ tube-in-tube ที่ปรับให้เหมาะสมที่สุด ความหนาแน่นของพลังงานเชิงปริมาตรของตัวแลกเปลี่ยนความร้อนที่ปรับให้เหมาะสมนั้นสูงกว่าอุปกรณ์หลอดในท่อเชิงพาณิชย์ที่ล้ำสมัยในปัจจุบันโดยประมาณ 20 ครั้ง".

▲โครงสร้างภายในและระบบรอบข้างของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ภาพจากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์

งานวิจัยชิ้นนี้ได้รับการตีพิมพ์ในบทความ"การพัฒนาเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพลังงานสูงพิเศษผ่านการออกแบบอัลกอริธึมทางพันธุกรรมและการผลิตสารเติมแต่ง" ร่วมเขียนโดย Hyunkyu Moon, Davis McGregor, Nenad Miljkovic และ William King