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Devrions-nous personnaliser en masse les échangeurs de chaleur imprimés en 3D ?

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Sur le 3DPOD, Doug Hofmann, du JPL, a récemment déclaré que les échangeurs de chaleur imprimés en 3D étaient l’une des applications les plus intéressantes pour l’additif. Comme il fait partie d’une équipe très avancée qui construit des boîtes de vitesse pour les rovers de Mars, ainsi que des systèmes pour produire de l’oxygène sur Mars, j’ai immédiatement pensé aux échangeurs de chaleur comme une application clé de l’impression 3D.

Nous en avons vu beaucoup au fil des ans – des échangeurs de chaleur imprimés en 3D. Ils semblent généralement complexes et inutilement compliqués, conçus pour ressembler à une création de H.R. Geiger. Alors que le monde évolue vers une admiration simultanée du simple et du complexe, il s’agit d’artefacts curieux qui pourraient bien être le présage d’un futur AM industrialisé. En effet, les échangeurs de chaleur sont des dispositifs d’une simplicité trompeuse qui utilisent des architectures complexes pour accomplir une tâche essentielle : le passage de la chaleur entre deux fluides différents.

Avec l’aimable autorisation de Paul Singh.

Ces fluides peuvent être mélangés ensemble ou séparés. L’exemple le plus communément utilisé est le radiateur d’une voiture. Cependant, les échangeurs de chaleur sont utilisés dans presque tous les processus industriels, dans un vaste éventail de processus de fabrication, dans de nombreux autres véhicules et dans de nombreuses applications, systèmes et usines de traitement. La réfrigération, les systèmes de climatisation, et bien d’autres choses encore, créent une industrie de 40 milliards de dollars.

Il existe de nombreux types d’échangeurs de chaleur et de nombreuses conceptions différentes. L’un des types les plus courants est l’échangeur de chaleur tubulaire (shell-and-tube). Ce type d’échangeur est constitué d’un réseau de tubes contenant un fluide qui est chauffé ou refroidi par un autre fluide situé à l’extérieur de ces tubes, mais à l’intérieur de l’enveloppe qui les entoure. Les échangeurs de chaleur à plaques sont constitués d’une série de plaques dotées de minuscules canaux qui sont reliées de manière permanente ou empilées, mais qui peuvent être démontées pour la maintenance. Dans ce cas, les fluides passent entre les plaques empilées.

Un échangeur de chaleur à plaques.

Dans les échangeurs de chaleur à flux parallèles, les deux fluides se déplacent en parallèle. Dans un échangeur à contre-courant, ils entrent chacun par un côté différent et, dans un échangeur à courants croisés, ils se croisent. En général, la conception à contre-courant permet un transfert de chaleur plus uniforme, tandis que le flux croisé peut permettre des conceptions plus compactes. Théoriquement, les échangeurs de chaleur à flux croisés peuvent atteindre une efficacité de 70 %, tandis que les modèles à contre-courant peuvent être efficaces à 95 %. Si vous souhaitez aller un peu plus loin, voici une bonne explication, mais en général, « la sélection correcte d’un échangeur de chaleur est difficile et dépend à la fois des produits et des applications à traiter, que ce soit actuellement ou à l’avenir ».

Cet article porte sur un échangeur de chaleur compact, imprimé en 3D spécifiquement pour une application aéronautique.

« Les avions de transport de passagers modernes volent à des altitudes plus élevées, où la densité de l’air est plus faible. Par conséquent, le système de climatisation installé a besoin de débits d’air plus importants pour une quantité fixe de puissance thermique échangeable. Dans le cadre du transfert de chaleur, les CHX représentent une nouvelle frontière car ils incarnent un compromis parfait entre compacité et efficacité thermique. La compacité, exprimée en termes de densité de surface η=A/V, est la principale caractéristique. Des surfaces internes étendues sont utilisées pour augmenter le rapport surface/volume avec différentes configurations, telles que les CHX à plaques ou à tubes. La conception de la forme et de la disposition des ailettes internes complexes se traduit par une minimisation globale du volume du dispositif, un meilleur contrôle de la température et un poids plus faible. Les CHX à plaques et à ailettes sont largement utilisés pour les applications gaz à gaz. Le but est d’induire plusieurs changements soudains de la direction du flux, générant une augmentation du coefficient de transfert de chaleur mais aussi, par conséquent, de la chute de pression. »

L’article présente l’analyse de rentabilité d’un échangeur de chaleur gaz-gaz particulier pour une application, la climatisation des avions, bien mieux que je ne pourrais le faire. Outre les avantages liés à la réduction de la masse et du poids et à l’augmentation de la surface, le dispositif a été conçu pour créer davantage de turbulences. Cela détaille certaines des considérations importantes en matière de conception, mais souligne également le fait qu’il n’existe pas d’échangeur de chaleur parfait, à taille unique. Pour chaque cas d’échange de chaleur, il peut y avoir des contraintes de conception optimales en fonction du cas d’utilisation, des liquides ou des gaz concernés et de ce qui doit se passer sur le plan thermique. Le contrôle est-il plus important que la vitesse ? Doit-on chauffer quelque chose ou le refroidir en permanence ? Toutes ces contraintes peuvent être optimisées dans chaque cas spécifique.

Pour tout, du refroidissement et du chauffage au traitement d’une grande variété de produits, les échangeurs de chaleur sont des composants essentiels. Grâce à l’optimisation de l’écoulement, de la géométrie, du mélange, de la turbulence, de la séparation et de la surface, les performances des échangeurs de chaleur peuvent être considérablement améliorées. Des échangeurs de chaleur plus compacts sont synonymes de machines ou de dispositifs plus efficaces ou plus compacts, tandis que les économies de poids peuvent également porter leurs fruits, notamment dans le domaine du transport. Tout comme de nombreuses formes complexes, les échangeurs de chaleur peuvent être considérablement améliorés en optimisant leur géométrie grâce à l’impression 3D.

Un échangeur de chaleur Shell and tube.

Cela signifie que les mathématiques sont décourageantes et que nous aurions besoin d’une sorte de calcul automatisé de la dynamique des fluides et d’opérations d’analyse par éléments finis, mais nous pourrions éventuellement personnaliser en masse des échangeurs de chaleur imprimés en 3D. Ce sera une opportunité incroyable pour nous de prendre le contrôle de ce marché. Nous devrons définir toutes les contraintes et travailler sur l’espace de conception en additif, mais je suis convaincu que c’est possible. Comme tout le monde conçoit des solutions standard ou des solutions uniques, il devrait être possible de fabriquer des échangeurs thermiques quasi-optimaux par impression 3D de manière quasi automatique en s’appuyant sur des outils logiciels spécialisés. Les échangeurs de chaleur ne seront peut-être jamais parfaits, mais ils seront plus performants que ceux qui existent déjà.

Nous pouvons créer des textures turbulentes, des ailettes internes, des géométries tortueuses et replier les choses sur elles-mêmes plus efficacement que d’autres technologies. Nous pouvons optimiser les formes à un degré que d’autres ne peuvent tout simplement pas atteindre. Cet article décrit comment un échangeur de chaleur AM peut surpasser un équivalent fabriqué traditionnellement pour un moteur d’avion électrique lorsqu’il « combine une surface secondaire en développante et une structure en treillis 3D comme ailettes tertiaires pour maximiser le mélange des flux et la surface ». Ici, nous pouvons apprendre comment nos choses préférées : les treillis peuvent être utilisés dans les échangeurs de chaleur. Dans cet article de revue, une imprimante 3D de polymérisation en cuve Prusa SL1 est utilisée pour fabriquer des récipients étanches à l’air pour tenter de réaliser un échangeur de chaleur à sorption.

Échangeur de chaleur tubulaire.

Cet article porte sur les échangeurs de chaleur pour les micro-cycles organiques de Rankine, qui permettent de produire de l’électricité à partir d’une faible chaleur. Ce procédé pourrait être utilisé pour récolter de l’énergie à grande échelle dans les processus industriels, si seulement il était suffisamment efficace. C’est là qu’intervient l’échangeur de chaleur à contre-courant. Dans ce cas, la pièce a échoué à cause de l’épaisseur des parois, de stratégies de support sous-optimales et de problèmes de conception, mais c’est une excellente leçon pour quelqu’un qui voudrait fabriquer une pièce similaire.

Dans cet article, un échangeur de chaleur à plaques d’une épaisseur de paroi de 0,6 mm est imaginé et l’on peut facilement voir comment nous pourrions optimiser la structure interne et la texture d’une telle pièce afin qu’elle soit plus performante que les pièces traditionnelles. Ici, nous pouvons apprendre comment un échangeur de chaleur eau-air en polymère de 350 W peut être fabriqué par extrusion de matériaux. L’échangeur en polymère FDM présente une « amélioration de 220 % et 125 % du débit de chaleur par rapport à la masse (Q/m) et du débit de chaleur par rapport au volume (Q/V), respectivement, par rapport à des ailettes à plaques comparables de dernière génération ». Grâce à Doug du JPL, et à ces articles, je suis maintenant moi aussi incroyablement excité par les échangeurs de chaleur imprimés en 3D.

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