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Jun 11, 2023

Les ingénieurs utilisent la technologie d'impression 3D pour augmenter les performances de l'échangeur de chaleur de 2 000 %

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Une équipe de chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a utilisé la technologie d'impression 3D pour produire un échangeur de chaleur ultra-compact de nouvelle génération, permettant des augmentations de performances allant jusqu'à 2 000 %.

Pour permettre cette nouvelle géométrie, les ingénieurs ont développé leur propre logiciel de conception d'échangeur de chaleur 3D spécialement conçu avec une fonctionnalité d'optimisation de la topologie. Le programme est conçu spécifiquement pour optimiser les conceptions d'échangeurs de chaleur existantes afin de maximiser le transfert de chaleur tout en minimisant le poids des pièces, ce qui pourrait avoir des implications majeures pour des secteurs tels que l'énergie, l'électronique et l'aérospatiale.

«Nous avons développé un logiciel d'optimisation de forme pour concevoir un échangeur de chaleur haute performance», explique William King, professeur de sciences et d'ingénierie mécaniques et co-responsable de l'étude. "Le logiciel nous permet d'identifier des conceptions 3D qui sont considérablement différentes et meilleures que les conceptions conventionnelles."

La nécessité de faire progresser les échangeurs de chaleur

Les échangeurs de chaleur sont simplement utilisés pour transférer l'énergie thermique d'un point A à un point B. Ils sont essentiels dans la plupart des grandes industries et sont présents dans presque tous les systèmes complexes générant de la chaleur. Cela comprend les systèmes de production d'électricité, les transports, le traitement du pétrole et du gaz, le dessalement de l'eau et la gestion thermique des appareils électroniques grand public.

Avec des millions d'échangeurs de chaleur utilisés aujourd'hui dans le monde, leurs performances et leur efficacité sont devenues plus importantes que jamais en matière de durabilité mondiale et de réduction de la consommation d'énergie. Nous avons besoin d’appareils à grande surface qui favorisent un flux de chaleur efficace tout en étant compacts et légers. Dans certains secteurs comme l'aérospatiale, cette combinaison est particulièrement importante car la taille et la masse des pièces ont un impact direct sur les performances, la portée et les coûts du système.

Malheureusement, selon les chercheurs de l'Illinois, la conception des échangeurs de chaleur n'a pas beaucoup changé au cours des dernières décennies. Limités par les technologies de fabrication conventionnelles, nous n'avons pas été en mesure d'intégrer des structures complexes telles que des canaux internes qui optimisent le flux thermique. Cependant, l’impression 3D métallique étant désormais une option viable, les conceptions d’échangeurs de chaleur 3D qui étaient auparavant considérées comme impossibles peuvent être fabriquées facilement. Il suffisait d’un outil logiciel dédié pour concevoir de nouveaux appareils plus efficaces.

Un échangeur de chaleur tube dans tube optimisé

À l’aide de son logiciel de conception 3D, l’équipe a étudié un type spécial d’échangeur de chaleur appelé échangeur tube dans tube, que l’on retrouve souvent dans les systèmes d’eau potable et les systèmes énergétiques des bâtiments. Comme leur nom l’indique, les échangeurs tube dans tube comportent un tube interne imbriqué dans un tube externe. La conception de l’Illinois comportait également un ensemble d’ailettes intégrées à l’intérieur des tubes – une caractéristique de conception interne rendue possible uniquement par la technologie d’impression 3D.

Une fois la conception optimisée finalisée, les ingénieurs ont imprimé l'échangeur de chaleur en utilisant AlSi10Mg et ses performances ont été testées en laboratoire. L'appareil s'est avéré avoir une densité de puissance de 26,6 W/cm3 et une puissance spécifique de 15,7 kW/kg, ce qui serait environ 20 fois supérieur à celui des échangeurs de chaleur commerciaux comparables.

"Nous avons conçu, fabriqué et testé un échangeur de chaleur tube dans tube optimisé", a déclaré Nenad Miljkovic, professeur agrégé de sciences et d'ingénierie mécaniques et co-responsable de l'étude. « Notre échangeur de chaleur optimisé a une densité de puissance volumétrique environ 20 fois supérieure à celle d’un appareil tube-dans-tube commercial de pointe actuel. »

De plus amples détails sur l'étude peuvent être trouvés dans l'article intitulé « Développement d'échangeurs de chaleur ultra-puissants à travers la conception d'algorithmes génétiques et la fabrication additive ». Il est co-écrit par Hyunkyu Moon, Davis McGregor, Nenad Miljkovic et William King.

Plus tôt ce mois-ci, des chercheurs de l’Université RMIT, en Australie, ont développé un ensemble d’échangeurs de chaleur imprimés en 3D de nouvelle génération, alimentés par du carburéacteur. Les catalyseurs imprimés en 3D, comme on les appelle, sont des échangeurs de chaleur métalliques recouverts de minéraux synthétiques appelés zéolites. En utilisant du carburéacteur comme liquide de refroidissement, ils pourraient être la clé pour résoudre l’un des plus gros problèmes du vol hypersonique : la surchauffe.

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