Le nuove tecniche di produzione potrebbero migliorare gli scambiatori di calore, dai condizionatori d’aria alle grandi navi.
Secondo una nuova ricerca, un nuovo progetto stampato in 3D potrebbe rendere più piccola ed efficiente una parte integrante dei sistemi di raffreddamento come i condizionatori d’aria o i frigoriferi.
Gli scambiatori di calore sono dispositivi che sottraggono calore e sono utilizzati ovunque: nei centri dati, nelle navi, nelle fabbriche e negli edifici. Lo scopo è quello di far passare la maggior quantità di calore possibile da un lato all’altro del dispositivo. La maggior parte di essi utilizza uno dei pochi modelli standard che storicamente sono stati più facili ed economici da realizzare.
“Gli scambiatori di calore sono al centro dell’economia industriale. Sono una parte essenziale di ogni macchina e di ogni sistema che sposta energia”, afferma William King, professore dell’Università dell’Illinois Urbana-Champaign e uno degli autori del nuovo studio. I progetti esistenti tendono a privilegiare linee rette, angoli retti e tubi rotondi, aggiunge King.
King e i suoi colleghi hanno utilizzato la stampa 3D per progettare uno scambiatore di calore che include caratteristiche per ottimizzare il movimento del calore, come pareti ondulate e protuberanze a forma di piramide, che non sarebbe stato possibile realizzare con tecniche di produzione tradizionali.
Il team aveva deciso di progettare un sistema basato su un refrigerante comune chiamato R-134a, comunemente utilizzato in dispositivi come condizionatori d’aria e frigoriferi. Quando l’acqua fredda abbassa la temperatura del refrigerante, questo si trasforma da gas a liquido nel suo percorso attraverso il dispositivo. Il refrigerante liquido può quindi passare ad altre parti del sistema di raffreddamento, dove viene utilizzato per abbassare la temperatura di qualsiasi cosa, da una stanza a un rack di server.
Il modo migliore per raffreddare il refrigerante tende a costruire pareti molto sottili tra i due lati del dispositivo e a massimizzare la quantità di contatto dell’acqua e del refrigerante con queste pareti. (Pensate a quanto più freddo si può avere indossando una maglietta e dei pantaloni sottili e sdraiandosi sul ghiaccio piuttosto che toccandolo semplicemente con le mani guantate).
Per progettare il miglior scambiatore di calore possibile, i ricercatori hanno utilizzato simulazioni e sviluppato modelli di apprendimento automatico per aiutare a prevedere le prestazioni di diversi progetti in diverse condizioni. Dopo 36.000 simulazioni, i ricercatori sono arrivati a quello che hanno deciso di sviluppare.
Tra i componenti chiave: piccole alette che sporgono sul lato del dispositivo che tocca l’acqua, aumentando la superficie per massimizzare il trasferimento di calore. Il team ha anche progettato dei passaggi ondulati attraverso i quali far passare l’acqua, contribuendo ancora una volta a massimizzare la superficie. Le simulazioni hanno aiutato i ricercatori a capire esattamente la curvatura dei passaggi e la posizione precisa delle alette.
Sul lato dei dispositivi in cui passa il refrigerante, il design prevede piccole protuberanze a forma di piramide lungo le pareti. Queste non solo massimizzano l’area di raffreddamento, ma aiutano anche a miscelare il refrigerante durante il passaggio e a evitare che il liquido ricopra la parete (rallentando il trasferimento di calore).
Dopo aver definito il progetto, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica di stampa 3D chiamata sinterizzazione laser diretta dei metalli, in cui il laser fonde e fonde insieme una polvere di metallo (in questo caso, una lega di alluminio), strato per strato.
Durante i test, i ricercatori hanno scoperto che lo scambiatore di calore creato con questa tecnica era in grado di raffreddare il refrigerante in modo più efficiente rispetto ad altri progetti. Il nuovo dispositivo è stato in grado di raggiungere una densità di potenza di oltre sei megawatt per metro cubo, superando un comune progetto tradizionale, la configurazione a fascio tubiero, di una percentuale compresa tra il 30% e il 50% a parità di potenza di pompaggio. La densità di potenza del dispositivo era simile a quella degli scambiatori di calore a piastre saldobrasate, un altro progetto comune nell’industria.
Complessivamente, questo dispositivo non supera in modo significativo lo stato dell’arte della tecnologia, ma la tecnica di utilizzare la modellazione e la stampa 3D per produrre nuovi progetti di scambiatori di calore è promettente, afferma Dennis Nasuta, direttore della ricerca e sviluppo di Optimized Thermal Systems, una società di consulenza che collabora con le aziende del settore HVAC per la progettazione e la ricerca. “Vale la pena esplorarlo e non credo che sappiamo ancora dove possiamo spingerci”, afferma Nasuta.
Una sfida è rappresentata dal fatto che oggi le tecniche di produzione additiva, come la sinterizzazione laser, sono lente e costose rispetto alla produzione tradizionale; non sarebbe economico o fattibile affidarsi a queste tecniche per tutti i dispositivi di raffreddamento di consumo. Per il momento, questo tipo di approccio potrebbe essere più utile in applicazioni di nicchia come quelle aerospaziali e automobilistiche di fascia alta, che potrebbero più facilmente sostenerne i costi, aggiunge.
Questo studio in particolare è stato finanziato dall’Office of Naval Research degli Stati Uniti. Le navi di nuova generazione hanno più elettronica a bordo che mai e c’è una crescente necessità di sistemi compatti ed efficienti per gestire tutto questo calore extra, dice Nenad Miljkovic, uno degli autori dello studio.
La domanda di energia per il solo raffreddamento degli edifici è destinata a raddoppiare da qui al 2050 e i nuovi progetti potrebbero aiutare a soddisfare in modo efficiente l’enorme domanda prevista per i prossimi decenni. Tuttavia, per poter introdurre innovazioni come quella progettata da King e dal suo team nei dispositivi reali, è necessario superare alcune sfide, tra cui i costi di produzione.
Un altro ostacolo all’adozione di queste nuove tecniche, sostiene Nasuta, è che gli standard attuali non richiedono una maggiore efficienza. Esistono già altre tecnologie che potrebbero contribuire a rendere i nostri dispositivi più efficienti, ma non vengono utilizzate per lo stesso motivo.
Ci vorrà del tempo prima che le nuove tecniche di produzione, compresa la stampa 3D, entrino nei nostri dispositivi, aggiunge Natsua: “Questo non sarà nel vostro computer l’anno prossimo”.
Foto di copertina: i ricercatori hanno progettato uno scambiatore di calore che includeva caratteristiche che non sarebbero state possibili con le tecniche di produzione tradizionali. Bri Hege
