Si stima che lo scambiatore di calore stampato in 3D sia il 50% più efficace

Un nuovo tipo di scambiatore di calore leggero e stampato in 3D con un design dell’architettura giroidea simile a un labirinto è più compatto ed efficiente rispetto alle sue controparti convenzionali, come affermato dai suoi sviluppatori. Un team guidato da ingegneri dell’Università di Glasgow ha sviluppato il sistema, che sfrutta le proprietà uniche delle superfici in microscala per creare uno scambiatore di calore ad alte prestazioni.

Gli scambiatori di calore, dispositivi che trasferiscono calore tra fluidi senza miscelarli, hanno un’ampia gamma di applicazioni pratiche. Quelli che trasferiscono l’energia termica tra i fluidi sono utilizzati in sistemi che includono la refrigerazione, le celle a combustibile e i tipi di motori a combustione interna utilizzati nelle automobili e negli aerei.

In un nuovo articolo pubblicato su Applied Thermal Engineering, i ricercatori hanno descritto come hanno sviluppato e costruito il sistema prototipo, che stimano essere il 50% più efficace di uno scambiatore di calore convenzionale leader di mercato nonostante sia un decimo delle sue dimensioni.

Il sistema deve la sua efficacia alla progettazione di superfici architettoniche su cui i liquidi scorrono attraverso lo scambiatore. Lo scambiatore a forma di cubo aspira l’acqua attraverso un nucleo, costellato di minuscoli fori disposti a configurazione giroide.

I giroidi fanno parte di un gruppo di progetti cellulari costruiti utilizzando geometrie di superficie minime triplamente periodiche, con superfici non autointersecanti e altamente simmetriche.

Il team ha scelto di utilizzare un’architettura giroide ripetuta per il proprio scambiatore di calore perché l’efficacia dello scambio termico è legata alla sua superficie: maggiore è la superficie, maggiore è la possibilità che i fluidi trasmettano la loro energia termica dall’uno all’altro. Ciò significa che gli oggetti con una superficie ampia possono raffreddare o riscaldare i fluidi più velocemente di quelli con una superficie più limitata.

Il design del giroide in microscala del team, prodotto da un semplice fotopolimero utilizzando una sofisticata stampante 3D, ingegnerizza un’ampia superficie in un cubo compatto che misura 32,2 mm su ciascun lato e pesa solo otto grammi.

Attirando l’acqua attraverso questo fitto labirinto, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare variazioni di temperatura comprese tra 10 e 20 ºC quando l’acqua scorreva attraverso il loro scambiatore di calore a una velocità compresa tra 100 e 270 millimetri al minuto.

Il team ha misurato il coefficiente di trasferimento del calore del loro nuovo scambiatore, la misura della sua efficacia nel trasferire il calore tra il fluido e le sue superfici, in modo da poter determinare come si comportava rispetto a una serie di scambiatori convenzionali di diverse dimensioni realizzati con materiali inclusi polimeri e metalli.

E’ stato scoperto che l’efficacia del loro nuovo scambiatore di calore era del 50% in più rispetto a uno  controcorrente, più efficiente e termodinamicamente equivalente, anche se il loro prototipo di nuova concezione era solo il 10% delle sue dimensioni.

La ricerca è stata guidata dal dottor Shanmugam Kumar della James Watt School of Engineering dell’Università di Glasgow, insieme ai colleghi della Swansea University e della Khalifa University of Science and Technology di Abu Dhabi.

Il Dr. Kumar ha affermato: “Stiamo lavorando per trovare nuove applicazioni per questo tipo di reticoli stampati in 3D micro-progettati da diversi anni. Abbiamo già dimostrato come possono essere utilizzati per scopi, tra cui batterie riciclabili ad alte prestazioni e lo sviluppo di futuri dispositivi medici “intelligenti” come protesi e tutori per la schiena”.

“Questo ultimo documento mostra che possiamo utilizzare queste architetture reticolari giroidi per creare un materiale con un rapporto superficie/volume notevolmente ampio che si presta molto bene allo scambio di calore. Essere in grado di sviluppare scambiatori di calore più piccoli, più leggeri e più efficienti potrebbe aiutarci a sviluppare sistemi di refrigerazione che richiedono meno potenza, ad esempio, o motori ad alte prestazioni che possono essere raffreddati in modo più efficace. Siamo ansiosi di sviluppare ulteriormente questa tecnologia con la ricerca futura”.

Il documento del team, intitolato “Scambiatore di calore compatto, micro-architettato e ad alte prestazioni abilitato dalla stampa 3D”, è pubblicato su Applied Thermal Engineering. La ricerca è stata supportata da finanziamenti della Abu Dhabi National Oil Company.