Al combinar la corrección de topología y la fabricación adicional, un equipo de ingenieros de Wisconsin Medicine creó un importante intercambio de calor de alta temperatura que mejoró el diseño tradicional de canales rectos en la transferencia de calor, la densidad de potencia y la efectividad.
Y utilizaron la impresión 3D, y la prueba, la prueba de metal conceptual, y usaron una técnica moderna para las pruebas.
Muchas tecnologías tienen componentes esenciales de intercambiadores de calor de alta temperatura para eliminar el calor con aeroespacial, generación de energía, procesos industriales y aplicaciones en aviación.
“Tradicionalmente, los intercambios de calor fluyen a través de fluidos rectos y fluidos fríos a través de tuberías rectas”, dice Zhooping Kian, profesor de ingeniería mecánica en UW Medicine. La razón principal es que las tuberías rectas son fáciles de producir. “” Pero las tuberías rectas no son necesariamente la mejor geometría para la transferencia de calor entre los fluidos calientes y fríos “.
La fabricación adicional permite a los investigadores crear estructuras con geometría compleja que pueden lograr intercambiadores de calor más eficientes. Dada la independencia de este diseño, Kian descubrió un diseño para canales de fluido caliente y frío dentro del intercambiador de calor que maximizaría la transferencia de calor.
Utilizó su experiencia en corrección de toopología, un enfoque de diseño computacional que se utiliza para estudiar la distribución de materiales en una estructura para lograr algunos de los objetivos de diseño. También incluyó una técnica patentada, llamada parámetro encasado esperado, que considera las barreras para los fabricantes para el diseño general.
Con un mejor diseño en la mano, Kian trabajó con un compañero Dan Thoma, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Medicina UW, que dirigió la impresión 3D del intercambiador de calor utilizando una técnica de fabricación adicional de metal llamada fusión de lecho de polvo láser.
Desde el exterior, los intercambiadores de calor mejorados parecen una versión tradicional con un diseño de canal recto, pero sus diseños básicos internos son increíblemente diferentes. El diseño correccional conecta canales de fluido caliente y fría con geometría compleja y propiedades complejas de la superficie. Estas propiedades geométricas complejas guían el flujo de fluido en una ruta giratoria que mejora la transferencia de calor.
El compañero Mark Anderson, profesor de ingeniería mecánica en medicina UW, realizó una prueba hidráulica térmica en un mejor intercambiador de calor y un intercambiador de calor tradicional para comparar su rendimiento. El diseño personalizado no solo fue más eficiente en la transferencia de calor, sino que también logró un 27 % más de densidad de potencia que el intercambiador de calor tradicional. La alta densidad de potencia permite que los intercambiadores de calor sean más livianos y más compactos, útiles para aplicaciones aeroespaciales y de aviación.
El equipo describió sus resultados en una disertación publicada el 19 de febrero de 2025 Revista Internacional de Transferencia de Hat and Mass.
Aunque investigaciones previas han utilizado la optimización de la toopología para estudiar dos diseños de intercambiadores de calor de fluidos, Kayan dice que el trabajo es la primera tarea para usar la corrección de toopología. Y Imponer barreras del fabricante para garantizar el diseño y la prueba.
“Mejorar el diseño en una computadora es una cosa, pero de hecho, esto es algo muy diferente”, dice Kayan. “Es sorprendente que nuestro método de corrección haya funcionado. En realidad logramos producir nuestro diseño de intercambiadores de calor. Y a través de pruebas experimentales, mostramos nuestro mejor rendimiento de diseño. Los estudiantes, los investigadores post documentales y los tres grupos de investigación lo hicieron posible para lo mejor”.
El actual graduado de doctorado Siching Sun del grupo de investigación de Kian es el primer autor en Revista Internacional de Transferencia de Hat and Mass Papel Tiago Cabello, Rankohi, Zeni Yu e Ian Janet, todos UW-Medicine Extra.
Los investigadores patentaron sus técnicas esperadas de marco de recaudación a través de la Fundación de Investigación de Wisconsin Elumini.
El trabajo fue apoyado por el Arpae Grant DR 10001475 y la National Science Foundation Grant 1941206.
