Los intercambiadores de calor son elementos fundamentales en la industria. Son una parte esencial en todas las máquinas y sistemas que involucran la transferencia de energía”, afirma William King, profesor de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign y uno de los autores de un nuevo estudio. King señala que los diseños actuales tienden a centrarse en líneas rectas, ángulos rectos y tubos redondos.
En este sentido, King y su equipo emplearon la impresión 3D para diseñar un intercambiador de calor con características innovadoras para optimizar la transferencia de calor, como paredes onduladas y protuberancias en forma de pirámide, que no serían factibles de lograr con técnicas de fabricación tradicionales.
El objetivo del equipo era diseñar un sistema basado en el refrigerante R-134A, ampliamente utilizado en dispositivos como aires acondicionados y refrigeradores. Cuando el agua fría enfría el refrigerante, este pasa de estado gaseoso a líquido a medida que atraviesa el dispositivo. Posteriormente, este refrigerante líquido puede ser utilizado en otras partes del sistema de refrigeración para controlar la temperatura de diversos dispositivos, desde una habitación hasta una rejilla de servidores.
Para lograr la mejor forma de enfriar el refrigerante, es crucial construir paredes muy delgadas entre los dos lados del dispositivo y maximizar el contacto entre el agua y el refrigerante con esas paredes. Este enfoque permite una transferencia de calor más eficiente.
Los investigadores utilizaron simulaciones y modelos computacionales para predecir el rendimiento de diferentes diseños en diversas condiciones. Tras 36,000 simulaciones, se decidió por el diseño más eficiente para el intercambiador de calor.
Entre las características clave se encuentran pequeñas aletas en el lado del dispositivo que entra en contacto con el agua, aumentando la superficie para maximizar la transferencia de calor. Además, se diseñaron pasillos ondulados para el paso del agua, lo que nuevamente contribuye a maximizar la superficie de intercambio térmico. Las simulaciones ayudaron a determinar la curvatura óptima de los pasillos y la ubicación precisa de las aletas.
En el lado del dispositivo por donde circula el refrigerante, se incluyeron pequeñas protuberancias en forma de pirámide a lo largo de las paredes. Estas protuberancias no solo maximizan la superficie de intercambio térmico, sino que también ayudan a mezclar el refrigerante a medida que fluye y evitan que se forme una capa de líquido que ralentizaría la transferencia de calor.
Una vez decidido el diseño, los investigadores utilizaron la técnica de impresión 3D conocida como sinterización directa por láser de metal, en la cual los láseres funden y fusionan polvo de metal (en este caso, una aleación de aluminio) capa por capa.