Forscher an der University of Illinois untersuchten die Optimierung eines Wärmetauschers mithilfe des 3D-Drucks. Sie entwickelten dazu eine spezielle 3D-Konstruktionssoftware. Mit dem 3D-Druck und ihrer Software wollen sie optimierte neue Wärmetauscher ermöglichen.

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Forscher der University of Illinois haben einen „ultrakompakten Wärmetauscher der nächsten Generation“ mit Hilfe von 3D-Druck erfolgreich hergestellt. Dabei erreichten sie eine Leistungssteigerung von bis zu 2.000%. Die Ingenieure entwickelten dafür eine eigens entwickelte 3D-Wärmetauscher-Konstruktionssoftware mit Topologieoptimierungsfunktionalität. Das Programm wurde eigens dafür entwickelt, bestehende Wärmetauscherdesigns zu verbessern, um die Wärmeübertragung zu maximieren und das Teilegewicht zu minimieren. Das könnte große Auswirkungen auf Branchen wie Energie, Elektronik und Luft– und Raumfahrt. Ihre Arbeit veröffentlichten sie in einem Artikel mit dem Titel „Ultra-power-dense heat exchanger development through genetic algorithm design and additive manufacturing“ im Fachjournal Joule.

William King, Professor für Maschinenbau und Maschinenbau und Co-Leiter der Studie, erklärte:

„Wir haben eine Software zur Formoptimierung entwickelt, um einen Hochleistungswärmetauscher zu entwerfen. Die Software ermöglicht es uns, 3D-Designs zu identifizieren, die sich deutlich von herkömmlichen Designs unterscheiden und besser sind.“

Details zu Wärmetauschern

Aufbau eines 3D-gedruckten Wärmetauschers
Sie stellen ein Design her, das einen Satz integrierter Rippen an der Innenseite der Rohre hat (im Bild: Aufbau des optimierten Wärmetauschers)(Bild © University of Illinois).

Wärmetauscher übertragen Wärmeenergie von Punkt A nach Punkt B. Sie werden in fast jedem komplexen System wie Stromerzeugungssysteme, Transport, Öl- und Gasverarbeitung, Wasserentsalzung und Wärmemanagement für Unterhaltungselektronik zur Wärmeerzeugung eingesetzt. Wenn es um globale Nachhaltigkeit und Energieverbrauchsreduzierung geht, dann sind die Leistung und Effizienz der weltweit Millionen eingesetzten Wärmetauscher wichtiger denn je. Es werden Geräte mit großer Oberfläche benötigt, die den Wärmefluss effizient fördern, leicht und kompakt sind. Branchen wie der Luft- und Raumfahrt ist diese Kombination besonders wichtig. Dort spielen Teilegröße und -Masse einen direkten Einfluss auf Leistung, Reichweite und Kosten.

In den letzten Jahren haben sich die Wärmetauscher-Designs kaum verändert, da sie durch konventionelle Fertigungstechnologien stark eingeschränkt waren. Komplexe Strukturen wie interne Kanäle zur Wärmeflussoptimierung konnten nicht integriert werden. Der Metall-3D-Druck und die Software der Forscher ermöglichen neue, effizientere Geräte. Bei der Herstellung von Wärmetauschern verwendet das Unternehmen PWR Performance Solutions Kupfer-3D-Druck.

3D-Druck eines optimierten Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher

3D-Rendering Wärmetauscher
Die Forscher optimierten einen Wärmetauscher mit ihrer speziell entwickelten Konstruktionssoftware (im Bild: Rendering 3D-Druck-Wärmetauscher)(Bild © University of Illinois).

Das Team untersuchte die Optimierung eines Rohr-in-Rohr-Wärmetauschers mit ihrer 3D-Konstruktionssoftware. Diese Wärmetauscher kommen oft in Trinkwassersystemen und Gebäudeenergiesystemen vor. Das Innenrohr ist dabei in einem Außenrohr verschachtelt. Sie stellen ein Design her, das einen Satz integrierter Rippen an der Innenseite der Rohre hat. So etwas lässt sich nur mit 3D-Druck realisieren.

Sie druckten ihr Design mit AlSi10Mg und testeten es in einer Laborumgebung. Das Gerät lieferte eine Leistungsdichte von 26,6 W/cm3 und eine spezifische Leistung von 15,7 kW/kg. Das ist Berichten zufolge circa 20-mal höher als die Leistung vergleichbarer kommerzieller Wärmetauscher.

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