Ingenieure nutzen 3D-Drucktechnologie, um die Leistung von Wärmetauschern um 2000 % zu steigern

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Ein Forscherteam der University of Illinois in Urbana-Champaign hat mithilfe der 3D-Drucktechnologie einen ultrakompakten Wärmetauscher der nächsten Generation hergestellt und dabei eine Leistungssteigerung von bis zu 2000 % erzielt.

Um die neuartige Geometrie zu ermöglichen, entwickelten die Ingenieure ihre eigene, speziell entwickelte 3D-Wärmetauscher-Designsoftware mit Topologieoptimierungsfunktion. Das Programm ist speziell darauf ausgelegt, bestehende Wärmetauscherkonstruktionen zu optimieren, um die Wärmeübertragung zu maximieren und gleichzeitig das Teilegewicht zu minimieren, was erhebliche Auswirkungen auf Branchen wie Energie, Elektronik und Luft- und Raumfahrt haben könnte.

„Wir haben eine Formoptimierungssoftware entwickelt, um einen Hochleistungswärmetauscher zu entwerfen“, erklärt William King, Professor für Maschinenbau und Ingenieurwesen und Co-Leiter der Studie. „Die Software ermöglicht es uns, 3D-Designs zu identifizieren, die sich deutlich von herkömmlichen Designs unterscheiden und besser sind.“

Die Notwendigkeit, Wärmetauscher weiterzuentwickeln

Wärmetauscher dienen lediglich dazu, Wärmeenergie von Punkt A nach Punkt B zu übertragen. Sie sind in den meisten großen Industriezweigen von entscheidender Bedeutung und in fast jedem komplexen System zur Wärmeerzeugung enthalten. Dazu gehören Energieerzeugungssysteme, Transport, Öl- und Gasverarbeitung, Wasserentsalzung und Wärmemanagement für Unterhaltungselektronik.

Da heute weltweit Millionen von Wärmetauschern im Einsatz sind, sind ihre Leistung und Effizienz wichtiger denn je, wenn es um globale Nachhaltigkeit und Reduzierung des Energieverbrauchs geht. Wir brauchen Geräte mit großer Oberfläche, die einen effizienten Wärmefluss fördern und gleichzeitig kompakt und leicht sind. In einigen Branchen wie der Luft- und Raumfahrtindustrie ist diese Kombination besonders wichtig, da Teilegröße und -masse einen direkten Einfluss auf die Systemleistung, Reichweite und Kosten haben.

Laut den Forschern aus Illinois haben sich die Wärmetauscherkonstruktionen in den letzten Jahrzehnten leider nicht allzu sehr verändert. Aufgrund der Einschränkungen herkömmlicher Fertigungstechnologien waren wir nicht in der Lage, komplexe Strukturen wie interne Kanäle zu integrieren, die den Wärmefluss optimieren. Da der Metall-3D-Druck nun jedoch eine praktikable Option ist, können 3D-Wärmetauscherkonstruktionen, die zuvor als unmöglich galten, problemlos hergestellt werden. Alles, was benötigt wurde, war ein spezielles Softwaretool, um die neuen, effizienteren Geräte zu entwerfen.

Ein optimierter Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher

Mithilfe seiner 3D-Designsoftware untersuchte das Team einen speziellen Wärmetauschertyp namens Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher, der häufig in Trinkwassersystemen und Gebäudeenergiesystemen zu finden ist. Wie der Name schon sagt, verfügen Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher über ein Innenrohr, das in einem Außenrohr eingebettet ist. Das Illinois-Design verfügte außerdem über eine Reihe integrierter Rippen an der Innenseite der Rohre – ein internes Designmerkmal, das nur durch die 3D-Drucktechnologie möglich war.

Nachdem das optimierte Design fertiggestellt war, druckten die Ingenieure den Wärmetauscher aus AlSi10Mg und testeten seine Leistung in einer Laborumgebung. Es wurde festgestellt, dass das Gerät eine Leistungsdichte von 26,6 W/cm3 und eine spezifische Leistung von 15,7 kW/kg aufweist, was Berichten zufolge etwa 20-mal höher ist als die vergleichbarer kommerzieller Wärmetauscher.

„Wir haben einen optimierten Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher entworfen, hergestellt und getestet“, sagte Nenad Miljkovic, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Ingenieurwesen und Co-Leiter der Studie. „Unser optimierter Wärmetauscher hat eine etwa 20-mal höhere volumetrische Leistungsdichte als ein aktuelles, hochmodernes kommerzielles Rohr-in-Rohr-Gerät.“

Weitere Einzelheiten der Studie finden Sie im Artikel mit dem Titel „Entwicklung ultraleistungsdichter Wärmetauscher durch genetisches Algorithmusdesign und additive Fertigung“. Die Co-Autoren sind Hyunkyu Moon, Davis McGregor, Nenad Miljkovic und William King.

Anfang dieses Monats haben Forscher der RMIT University in Australien eine Reihe von 3D-gedruckten Wärmetauschern der nächsten Generation entwickelt, die mit Kerosin betrieben werden. Bei den sogenannten 3D-gedruckten Katalysatoren handelt es sich um Metallwärmetauscher, die mit synthetischen Mineralien, sogenannten Zeolithen, beschichtet sind. Durch die Verwendung von Kerosin als Kühlmittel könnten sie der Schlüssel zur Lösung eines der größten Probleme des Hyperschallflugs sein: Überhitzung.

GE Research, die Forschungs- und Entwicklungsabteilung des amerikanischen Mischkonzerns GE, hat kürzlich erfolgreich seinen eigenen neuartigen 3D-gedruckten Wärmetauscher-Prototyp bei Temperaturen von bis zu 900 °C getestet. Das in Zusammenarbeit mit der University of Maryland und dem Oak Ridge National Laboratory (ORNL) entwickelte Subscale-Wärmeregulierungsgerät von GE Research zeichnet sich durch eine einzigartige traubenähnliche Geometrie aus, die ihm extreme Hitze- und Druckbeständigkeit verleiht.

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Das abgebildete Bild zeigt eine Darstellung des optimierten 3D-gedruckten Wärmetauschers. Bild von der University of Illinois.

Kubi Sertoglu hat einen Abschluss in Maschinenbau und verbindet eine Affinität zum Schreiben mit einem technischen Hintergrund, um die neuesten Nachrichten und Rezensionen zur additiven Fertigung zu liefern.