Échangeur de chaleur imprimé en 3D “plus efficace” que les conceptions conventionnelles

Échangeur de chaleur imprimé en 3D

Résumé graphique. Crédit: Génie Thermique Appliqué (2022). DOI : 10.1016/j.applthermaleng.2022.118339

Un nouveau type d’échangeur de chaleur imprimé en 3D léger avec une conception semblable à un labyrinthe est plus compact et efficace que ses homologues conventionnels, selon ses développeurs.

Une équipe dirigée par des ingénieurs de l’Université de Glasgow a développé le système, qui exploite les propriétés uniques des surfaces microscopiques pour créer un échangeur de chaleur haute performance.

Les échangeurs de chaleur, dispositifs qui transfèrent la chaleur entre les fluides sans les mélanger, ont un large éventail d’applications pratiques. Les échangeurs de chaleur qui transfèrent l’énergie thermique entre les fluides sont utilisés dans des systèmes tels que la réfrigération, les piles à combustible et les types de moteurs à combustion interne utilisés dans les voitures et les avions.

Dans un nouvel article publié dans Génie Thermique Appliqué, les chercheurs décrivent comment ils ont développé et construit le système prototype, qu’ils estiment être 50 % plus efficace qu’un échangeur de chaleur conventionnel leader du marché, bien qu’il représente un dixième de sa taille.

Le système doit son efficacité à la conception de surfaces architecturées sur lesquelles circulent les liquides à travers l’échangeur. L’échangeur en forme de cube aspire l’eau à travers un noyau parsemé de minuscules trous disposés en configuration gyroïde.

Les gyroïdes font partie d’un groupe de conceptions cellulaires qui sont construites à l’aide de géométries de surface minimales triplement périodiques ayant des surfaces périodiques non auto-sécantes et hautement symétriques.

L’équipe a choisi d’utiliser une architecture gyroïde répétitive pour son échangeur de chaleur, car l’efficacité de l’échange de chaleur est liée à sa surface : plus la surface est grande, plus les fluides ont la possibilité de transmettre leur énergie thermique de l’un à l’autre. Cela signifie que les objets avec de grandes surfaces peuvent refroidir ou chauffer des fluides plus rapidement que ceux avec des surfaces plus limitées.

Leur conception gyroïde à micro-échelle, qu’ils ont fabriquée à partir d’un simple photopolymère à l’aide d’une imprimante 3D sophistiquée, transforme une grande surface en un cube compact mesurant 32,2 mm de côté et pesant seulement huit grammes.

En puisant de l’eau dans ce labyrinthe dense, les chercheurs ont pu mettre en évidence des variations de température comprises entre 10 et 20 ºC lorsque l’eau traversait leur échangeur de chaleur à une vitesse comprise entre 100 et 270 millimètres par minute.

L’équipe a mesuré le coefficient de transfert de chaleur de leur nouvel échangeur – la mesure de son efficacité à transférer la chaleur entre le fluide et ses surfaces – afin de déterminer ses performances par rapport à une série d’échangeurs de chaleur conventionnels de tailles différentes fabriqués à partir de matériaux tels que des polymères et métaux.

Ils ont constaté que l’efficacité de leur nouvel échangeur de chaleur était supérieure de 50 % à celle d’un échangeur de chaleur à contre-courant thermodynamiquement équivalent et le plus efficace, même si leur prototype nouvellement développé ne faisait que 10 % de sa taille.

La recherche a été dirigée par le Dr Shanmugam Kumar de la James Watt School of Engineering de l’Université de Glasgow, aux côtés de collègues de l’Université de Swansea et de l’Université des sciences et technologies Khalifa à Abu Dhabi.

Le Dr Kumar a déclaré : « Nous travaillons depuis plusieurs années à la recherche de nouvelles applications pour ce type de treillis imprimé en 3D et micro-architecturés. Nous avons déjà démontré comment ils peuvent être utilisés à des fins telles que les batteries hautes performances recyclables et le développement des futurs dispositifs médicaux « intelligents » comme les prothèses et les orthèses dorsales.

“Ce dernier article montre que nous pouvons utiliser ces architectures de réseau gyroïde pour créer un matériau avec un rapport surface/volume remarquablement grand qui se prête très bien à l’échange de chaleur.

“Pouvoir développer des échangeurs de chaleur plus petits, plus légers et plus efficaces pourrait nous aider à développer des systèmes de réfrigération qui nécessitent moins d’énergie, par exemple, ou des moteurs à hautes performances qui peuvent être refroidis plus efficacement. Nous souhaitons développer davantage cette technologie avec les futurs recherche.”

L’article de l’équipe, intitulé “High performance, microarchitected, compact heat exchanger enabled by 3D printing”, est publié dans Génie Thermique Appliqué.


Des chercheurs conçoivent un échangeur de chaleur extrême à l’aide de l’impression 3D métallique


Plus d’information:
Tisha Dixit et al, Échangeur de chaleur compact haute performance, microarchitecturé, activé par l’impression 3D, Génie Thermique Appliqué (2022). DOI : 10.1016/j.applthermaleng.2022.118339

Fourni par l’Université de Glasgow

Citation: Échangeur de chaleur imprimé en 3D “plus efficace” que les conceptions conventionnelles (2022, 5 avril) récupéré le 5 avril 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-04-3d-printed-exchanger-efficient-conventional.html

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