Merevolusi Desain Penukar Kalor melalui Manufaktur Aditif
Kemajuan dalam manufaktur aditif tiba-tiba membuat desain bagian baru mungkin yang selalu kita anggap harus dilakukan dengan cara tertentu. Ambil penukar kalor, komponen industri umum dalam mesin semua jenis yang ada sejak revolusi industri.
Fungsi inti dari penukar kalor adalah memindahkan panas dari satu tempat ke tempat lain, biasanya dengan aliran fluida (gas atau cairan) melalui sekotak mesin. Mereka digunakan dalam hampir setiap aplikasi industri, tempat tinggal, dan di mana panas dan dingin penting: lemari pendingin, pemanas, sistem AC, transportasi, pabrik pengolahan minyak, lingkungan komersial, rumah sakit, dan lebih banyak lagi. Permintaan global untuk penukar kalor diharapkan mendekati US$78,16 miliar pada tahun 2020.
Tantangan untuk membuat penukar kalor lebih efisien telah lama memusingkan insinyur industri. Penukar kalor tipis 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 diproduksi menggunakan teknik tradisional, tetapi bukan bentuk terbaik untuk memaksimalkan pertukaran panas dalam ruang yang kecil.
Ternyata ada cara untuk membuat penukar kalor lebih efisien, lebih ringan dan lebih murah — dan lebih efektif dari sebelumnya — menggunakan manufaktur aditif. Ilmuwan Utama Fast Radius, Bill King, baru-baru ini memimpin proyek penelitian di Universitas Illinois, di mana ia adalah Profesor Rekayasa Mekanik dan memimpin penelitian inovatif ke dalam paradigma rekayasa. Proyeknya, dan paper yang dihasilkan yang diprakarsai King, menunjukkan bagaimana bagian penukar kalor dapat dibuat menggunakan manufaktur aditif, dengan perbaikan signifikan dibandingkan penukar kalor tradisional.
Dalam Q&A ini, King memberikan wawasannya tentang mengapa manufaktur aditif meningkat pada model tradisional dari penukar kalor dan mengapa inovasi ini sangat menarik untuk manufaktur secara umum.
Apa yang menjadi keterbatasan penukar kalor tradisional?
Sebagian besar orang familiar dengan tampilan radiator mobil: sekelompok tabung dengan sejumlah besar alet logam tipis. Ini adalah bentuk yang besar dan berblok, dasarnya persegi panjang. Sebagian besar insinyur akan mengakui bahwa geometri baru dari penukar kalor akan meningkatkan kinerja, tetapi belum pernah mungkin untuk mencapai mereka hingga sekarang.
Dalam sebagian besar desain, komponen penukar kalor memiliki geometri yang relatif sederhana. Saluran fluida biasanya lurus dan halus. Saluran lurus dan halus ini biasanya memiliki transfer panas yang lebih rendah dibandingkan saluran yang berbelit dan berlitus. Namun sayangnya, saluran yang berbelit dan berlitus tidak dapat dibuat menggunakan teknologi manufaktur tradisional.
Dalam beberapa desain persegi panjang ini, manifold mungkin mengarahkan aliran fluida dalam mesin, menyebabkan aliran ke daerah suhu tinggi atau suhu rendah — daerah yang ditargetkan untuk aliran panas. Biasanya, manifold ini dibuat sebagai komponen terpisah, individual. Ketika komponen dibuat secara terpisah dan kemudian dirangkaian, ada biaya dan tenaga kerja tambahan yang terkait dengan rangkaian dan pemeriksaan kualitas.
Gambar perangkat manifold yang diproduksi. (a) Bentuk keseluruhan perangkat manifold. Tampilan depan perangkat manifold (b) tanpa mixer statis dan (c) dengan mixer. (d) Sketsa sisi mixer statis dengan perangkat manifold terintegrasi.
Apa yang mungkin untuk penukar kalor menggunakan manufaktur aditif?
Dengan manufaktur aditif, Anda dapat mengeksploitasi “ruang putih” yang tersedia dengan membuat penukar kalor dalam berbagai bentuk yang memiliki keuntungan dalam hal efisiensi energi, kinerja sistem, dan kemampuan untuk memindahkan jumlah panas yang lebih besar menggunakan volume fluida yang lebih kecil.
Dalam studi ini, kami memilih arsitektur penukar kalor umum — plate pemanas horizontal dengan geometri yang sangat sederhana yang air mengalir di atasnya untuk menghapus panas. Ini adalah salah satu konfigurasi paling sederhana untuk penukar kalor. Menggunakan manufaktur aditif, kami membuat manifold, bagian yang mengontrol aliran fluida, dari polimer yang diproduksi secara aditif. Kami menguji desain kami menggunakan berbagai teknologi dan bahan. Desain yang sangat berhasil dibuat menggunakan Carbon Digital Light Synthesis dan Cyanate Ester, karena bahan ini sangat tahan panas. Penukar kalor yang dihasilkan menggunakan struktur pengadukan yang menyebabkan fluida dingin untuk menghapus panas dari plate panas secara efisien.
Mixer persegi panjang berbelit yang 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. Namun dengan manufaktur aditif, Anda dapat memproduksi mixer langsung ke dalam saluran aliran dan kemudian memasangnya ke plate pemanas. Kami menganalisis dua jenis struktur pengadukan: struktur twisted tape seperti mixer statis konvensional dan struktur sayap offset berbentuk chevron yang baru.
Gambar perangkat yang diproduksi; (a) saluran persegi panjang tanpa mixer statis (saluran polos); (b) saluran persegi panjang mixer twisted tape; dan (c) saluran persegi panjang dengan mixer chevron.
Apa yang Anda simpulkan?
Kami dapat dengan sukses menunjukkan perbaikan signifikan dalam kinerja penukar kalor, meningkatkan efisiensi energi produk dan alat yang dibuat dengan desain yang diproduksi secara aditif. Secara keseluruhan, kami melihat peningkatan sekitar 2x dari kinerja transfer panas dalam kehadiran struktur pengadukan yang diproduksi dengan manufaktur aditif. Ini adalah hal besar dalam sistem di mana tujuan Anda adalah untuk menghapus sebanyak mungkin panas. Ini adalah dua kali lipat panas.
Dalam jenis situasi industri lain, di mana tujuan Anda mungkin untuk memaksimalkan pertukaran panas sambil meminimalkan ukuran perangkat — misalnya, saat merancang mobil performa di mana ukuran dan bobot kendaraan mempengaruhi kinerja — Anda dapat mengecilkan ukuran penukar kalor untuk mencapai hasil yang diinginkan. Manufaktur aditif membuat kustomisasi ini sangat fleksibel untuk tujuan yang spesifik pada aplikasi.
Memanfaatkan geometri baru ini akan memungkinkan kemajuan besar dalam manufaktur semua jenis mesin dan peralatan rumah tangga. Penelitian kami akan membantu membawa hasil ini ke tangan insinyur di seluruh dunia, yang dapat mengeksploitasi teknik baru yang memungkinkan transfer panas yang meningkat. Sangat menarik.
Siap membuat bagian Anda dengan Fast Radius?
Start your quote
