ENGINEERINGNET.BE - De energie-efficiëntie van compacte warmtewisselaars is nog te verbeteren, naar schatting met circa 15-30%. Dit kan zonder de warmtewisselaar groter te maken of het drukverschil te verhogen, wat niet wenselijk is voor veel toepassingen.
Maar warmtewisselaars worden nog vaak geproduceerd met klassieke methoden gebaseerd op mechanische productietechnieken. Daardoor is de ontwerpvrijheid van bijvoorbeeld de cruciale vinstructuren, die de oppervlakte voor de overdracht van thermische energie binnenin de warmtewisselaar vergroot, beperkt.
Ook kunnen simulaties op basis van numerieke methoden tijdrovend en duur zijn, en leiden tot ontwerpen die niet maakbaar zijn.
Binnen het IAMHEX-project wordt daarom ingezet op additive manufacturing via 3D-printing met koper en aluminium. Het printen gebeurt met twee technieken: Laser Poederbed Fusie, waarin KU Leuven is gespecialiseerd, en 3D micro-extrusie, waarin VITO is onderlegd.
Bij de eerste wordt het metaal in poedervorm door laserlicht tot smelten gebracht. Bij de tweede wordt er geprint met een viskeuze pasta gevuld met metaalpoeder, waarna een thermische behandeling volgt en er quasi zuiver metaal overblijft.
Met 3D-printen wordt onder meer onderzocht hoe de functionaliteit van de warmtewisselaar is te optimaliseren op vlak van warmtegeleidbaarheid en mechanische sterkte, hoe het oppervlak van de vinnen gladder is te maken en hoe er met hoge precisie en ontwerpvrijheid kan worden gefabriceerd. Doel is om de prototypes van een compacte warmtewisselaar te testen op micro-schaal en op reële schaal.
‘Met geautomatiseerde ontwerptools willen we het design optimaliseren’, stelt Johan Van Bael van VITO/EnergyVille. ‘Zo willen we innovatieve software ontwikkelen waarbij algoritmes de optimale configuratie bepalen. Dat kan tijd en kosten besparen.’
Voor de vinnen zou dit inhouden dat de computer hun vorm en positionering binnen de warmtewisselaar optimaliseert, dit op basis van randvoorwaarden ingegeven door de ontwerper.
Binnen het ontwerpgedeelte wordt ook de maakbaarheid bestudeerd. Het heeft geen zin om de perfecte warmtewisselaar op de computer te ontwerpen als die niet valt te fabriceren.
De verwachting is dat de resultaten een revolutie teweeg brengen in het ontwerp en de fabricage van dit soort warmtewisselaars. Met bedrijven gespecialiseerd in het ontwerp en de productie van warmtewisselaars kunnen vervolgtrajecten worden opgestart.
‘De 3D-printing-techniek met koper en aluminium legeringen kan ook interessant zijn in andere toepassingen, bijvoorbeeld in de fabricage van componenten voor elektrische machines’, aldus Van Bael.
