Využití potenciálu kovové aditivní výroby při návrhu tepelného výměníku

Abstract

Práce se zabývá potenciálem využití LPBF technologie pro návrh efektivnějších tepelných výměníků. Cílem práce je návrh aditivně vyráběného chladiče využívající periodicky se opakující struktury dle výkonnostních parametrů referenční komponenty. K nalezení možných výhod aditivně vyráběných tepelných výměníků oproti v současnosti nejefektivnějším pájeným deskovým je přistupováno ve třech vzájemně navazujících částech. První částí je návrh několika komplexních periodických teplosměnných struktur vyrobitelných primárně aditivní technologií, jejichž snahou je zajistit výhodnější termo-hydraulické vlastnosti než současně zkoumané TPMS struktury. Druhá část je zaměřena na vývoj matematického modelu určeného pro návrh tepelného výměníku využívající periodické struktury. Konkrétně jde o výpočet potřebné velikosti buňky a výsledných tlakových ztrát, pro zadané rozměry, tepelný výkon a teplotní spády. Nakonec třetí část integruje obě předchozí do návrhu aditivně vyráběného tepelného výměníku dle parametru referenčního deskového chladiče. Navržený chladič je nakonec experimentálně otestován a porovnán s referenční komponentou, čímž je i validován vyvinutý matematický model. Výsledky ze CFD simulací ukazují nejlepší termo-hydraulické vlastnosti má navržená struktura Twist Twin následovaná Diamond strukturou. Vzhledem k omezením vyrobitelnosti Twist Twin struktury je však do finální aditivně vyrobeného chladiče aplikována Diamond struktura. Ten dle experiment vykazuje oproti referenčnímu deskovému chladiči o 7,8 % vyšší teplený výkon, o 223,5 % vyšší tlakové ztráty chladiva a o 161,3 % vyšší tlakové ztráty v případě chladící kapaliny. Navrhovaný tepelný výkon chladiče se vůči matematickému modelu liší o 4,3 % a tlakové ztráty o 74,1 %. Výsledky z experimentálního měření ukazují na dobrou přesnost vyvinutého matematického modelu, díky němuž může být návrh tepelných výměníků využívající periodické struktury značně usnadněn a v budoucnu může najít využití v generativním designu tepelných výměníků. Aditivně vyrobený výměník ukazuje možné limity a potenciál rozvoje do budoucna a je potřeba se vývoje dále zabývat pro zlepšení jeho vlastností.This paper explores the potential of using LPBF technology to design more efficient heat exchangers. The aim of the work is to design additively manufactured heat exchanger using periodically repeating structures according to the performance parameters of a reference component. Finding the potential advantages of additively manufactured heat exchangers over the currently most efficient soldered plate heat exchangers is approached in three interrelated parts. The first part is the design of several complex periodic heat transfer structures primarily fabricated by additive manufacturing technology, which aim to provide more favourable thermo-hydraulic properties than the currently investigated TPMS structures. The second part focuses on the development of a mathematical model intended for the design of a heat exchanger using periodic structures. Specifically, this involves the calculation of the required cell size and the resulting pressure losses, for given dimensions, heat capacity and temperature gradients. The third part integrates the two previous ones into the design of an additively manufactured heat exchanger according to the parameter of a reference plate cooler. Finally, the designed heat exchanger is experimentally tested and compared with the reference component, which also validates the developed mathematical model. The results from CFD simulations show the best thermo-hydraulic properties of the proposed Twist Twin structure followed by the Diamond structure. However, due to the manufacturability limitations of the Twist Twin structure, the Diamond structure is applied to the final additively manufactured heat sink. According to the experiment, it shows 7.8% higher thermal performance, 223.5% higher refrigerant pressure drop and 161.3% higher coolant pressure drop compared to the reference plate cooler. The proposed heat output of the cooler differs from the mathematical model by 4,3 % and the pressure drop by 74,1 %. The results from the experimental measurements show the good accuracy of the developed mathematical model, which can greatly facilitate the design of heat exchangers using periodic structures and may find application in generative heat exchanger design in the future. The additively manufactured heat exchanger shows possible limitations and potential for future development and further development is needed to improve its performance.