Meningkatkan model penukar panas dengan manufaktur aditif
Kemajuan dalam manufaktur aditif tiba-tiba memungkinkan desain suku cadang baru yang selama ini kita anggap remeh harus dilakukan dengan cara tertentu. Ambil contoh penukar panas, komponen industri umum di semua jenis mesin yang telah ada sejak revolusi industri.
Fungsi penting dari penukar panas adalah untuk memindahkan panas dari satu tempat ke tempat lain, biasanya dengan aliran fluida (gas atau cairan) melalui sepotong mesin. Mereka digunakan di hampir setiap aplikasi industri, tempat tinggal, dan di mana saja yang penting panas dan dingin:lemari es, tungku, sistem AC, transportasi, kilang minyak, lingkungan komersial, rumah sakit, dan banyak lagi. Permintaan global untuk penukar panas diperkirakan akan mendekati US$78,16 miliar pada tahun 2020.
Tantangan membuat penukar panas lebih efisien telah lama mengganggu insinyur industri. Penukar panas tipikal dibuat dengan logam dan memiliki arsitektur persegi panjang yang terdiri dari sudut siku-siku, garis lurus, dan tumpukan. Ini adalah jenis bentuk yang paling mudah dibuat menggunakan teknik tradisional, tetapi itu bukan bentuk terbaik untuk memaksimalkan pertukaran panas di ruang kecil.
Ternyata ada cara untuk membuat penukar panas lebih efisien, lebih ringan dan lebih murah — dan lebih efektif dari sebelumnya — menggunakan manufaktur aditif. Chief Science Officer Fast Radius, Bill King, baru-baru ini memimpin proyek penelitian di University of Illinois, di mana dia adalah Profesor Teknik Mesin dan memimpin penelitian inovatif ke dalam paradigma teknik. Proyek tersebut, dan makalah berikutnya yang ditulis bersama oleh King, menunjukkan bagaimana bagian penukar panas dapat dibuat menggunakan manufaktur aditif, dengan peningkatan signifikan dibandingkan penukar panas tradisional.
Dalam Tanya Jawab ini, King memberikan wawasannya tentang mengapa manufaktur aditif meningkatkan model penukar panas tradisional dan mengapa inovasi ini sangat menarik untuk manufaktur secara umum.
Apa keterbatasan penukar panas tradisional?
Kebanyakan orang akrab dengan seperti apa radiator mobil:kumpulan tabung dengan sejumlah besar sirip logam tipis. Ini besar, bentuk kotak-kotak, pada dasarnya persegi panjang. Sebagian besar insinyur akan mengakui bahwa geometri baru penukar panas akan meningkatkan kinerja, tetapi hal itu tidak pernah mungkin dicapai sampai sekarang.
Dalam kebanyakan desain, komponen penukar panas memiliki geometri yang relatif sederhana. Saluran cairan biasanya lurus dan halus. Lintasan yang lurus dan halus ini biasanya memiliki perpindahan panas yang lebih rendah dibandingkan dengan lintasan yang berliku-liku dan berkontur. Namun sayangnya, jalur berliku dan berkontur tidak dapat dibuat menggunakan teknologi manufaktur tradisional.
Dalam beberapa desain persegi panjang ini, manifold mungkin mengarahkan aliran fluida dalam mesin, menyebabkannya mengalir ke daerah bersuhu tinggi atau bersuhu rendah — daerah yang ditargetkan untuk aliran panas. Biasanya, manifold ini dibuat sebagai komponen terpisah yang terpisah. Ketika komponen dibuat secara terpisah dan kemudian dirakit, ada biaya tambahan dan tenaga kerja yang terkait dengan perakitan dan pemeriksaan kualitas.
Gambar perangkat berjenis fabrikasi. (a) Bentuk keseluruhan perangkat manifold. Tampilan depan perangkat manifold (b) tanpa mixer statis dan (c) dengan mixer. (d) Skema tampilan samping mixer statis dengan perangkat manifold terintegrasi.
Apa yang mungkin untuk penukar panas menggunakan manufaktur aditif?
Dengan manufaktur aditif, Anda dapat memanfaatkan "ruang putih" yang tersedia dengan membuat penukar panas dalam berbagai bentuk yang memiliki keunggulan dalam hal efisiensi energi, kinerja sistem, dan kemampuan untuk memindahkan panas dalam jumlah yang lebih besar menggunakan volume cairan yang lebih kecil.
Dalam studi tersebut, kami memilih arsitektur penukar panas yang umum — pelat berpemanas horizontal dengan geometri yang sangat sederhana yang mengalirkan air untuk menghilangkan panas. Ini adalah salah satu konfigurasi paling sederhana untuk penukar panas. Menggunakan manufaktur aditif, kami menciptakan manifold, bagian yang mengontrol aliran fluida, dari polimer yang diproduksi secara aditif. Kami menguji desain kami menggunakan berbagai teknologi dan bahan. Salah satu desain yang sangat sukses dibuat dengan menggunakan Carbon Digital Light Synthesis dan Cyanate Ester, karena bahan tersebut sangat tahan panas. Penukar panas yang dihasilkan menggunakan struktur pencampuran yang menyebabkan fluida dingin secara efisien menghilangkan panas dari pelat panas.
Mixer pita bengkok persegi panjang dibuat menggunakan Carbon Digital Light Synthesis dan Cyanate Ester
Polimer memiliki konduktivitas termal yang jauh lebih rendah daripada logam, jadi Anda tidak akan menggunakan polimer untuk komponen yang perlu membawa panas. Tetapi dengan pembuatan aditif, Anda dapat membuat mixer langsung ke saluran aliran dan kemudian merakitnya ke pelat yang dipanaskan. Kami menganalisis dua jenis struktur pencampuran:struktur pita bengkok seperti mixer statis konvensional dan struktur sayap offset berbentuk chevron yang baru.
Gambar perangkat buatan; (a) saluran persegi panjang tanpa mixer statis (saluran biasa); (b) mixer pita bengkok saluran persegi panjang; dan (c) saluran persegi panjang dengan mixer chevron.
Apa yang Anda simpulkan?
Kami berhasil menunjukkan peningkatan yang signifikan dalam kinerja penukar panas, meningkatkan efisiensi energi produk dan alat yang dibuat menggunakan desain yang diproduksi secara aditif. Secara keseluruhan, kami melihat peningkatan kinerja perpindahan panas 2x lipat dengan adanya struktur pencampuran yang diproduksi dengan manufaktur aditif. Ini adalah masalah besar dalam sistem di mana tujuan Anda adalah menghilangkan panas sebanyak mungkin. Panasnya dua kali lipat.
Dalam situasi industri jenis lain, di mana tujuan Anda mungkin untuk memaksimalkan pertukaran panas sambil meminimalkan ukuran perangkat — misalnya, saat merancang mobil berkinerja di mana ukuran dan berat kendaraan memengaruhi kinerja — Anda dapat mengecilkan ukuran penukar panas turun untuk mencapai hasil yang diinginkan. Manufaktur aditif membuat penyesuaian semacam ini sangat fleksibel untuk tujuan khusus aplikasi.
Memanfaatkan geometri baru ini akan memungkinkan kemajuan besar dalam pembuatan semua jenis mesin dan peralatan. Penelitian kami akan membantu menempatkan hasil ini di tangan para insinyur di seluruh dunia, yang dapat memanfaatkan teknik baru yang memungkinkan peningkatan perpindahan panas. Ini sangat menarik.
Siap membuat suku cadang Anda dengan Radius Cepat?
Mulai kutipan Anda
