Una amplia variedad de industrias contempla en sus sistemas de funcionamiento algún mecanismo de transferencia de calor. Las particularidades varían según el rubro de cada una, sean estas pertenecientes al sector energético, químico, transporte, agricultura o un largo etcétera.
Estos intercambiadores de calor se utilizan como un recurso de eficiencia energética, evitando el desperdicio de las temperaturas que se generan en ciertos momentos de algunos procesos y por consecuencia, reduciendo el consumo de combustibles en la ejecución de etapas posteriores que también requieren calor.
Intercambiadores de calor impresos en 3D
Al ser un componente de un alcance tan transversal dentro de las industrias que hoy funcionan alrededor del mundo, un intercambiador de calor compacto y eficiente puede contribuir positivamente en los costos y rendimientos asociados a los ciclos de producción.
Además, considerando las tendencias globales de girar hacia un modelo económico e industrial más sostenible, cualquier solución que ayude a reducir el consumo de combustibles fósiles llama la atención inevitablemente, al atender una necesidad en crecimiento.
Investigadores de la Universidad de Illinois, valiéndose de la optimización de la topología y la impresión 3D de metal —algo desconocido y/o poco accesible en períodos pasados—, diseñaron un nuevo tipo de intercambiadores de calor ultracompactos y de alta potencia.
El desafío propuesto por este equipo es la renovación de una tecnología que ha permanecido sin grandes innovaciones durante décadas. Como resultado de su estudio, los investigadores lograron desarrollar un innovador sistema, que funciona de manera considerablemente más efectiva y eficiente, según afirman, pero requieren del apoyo de herramientas de software y métodos de diseño específicos para su fabricación.
Con el apoyo de la Facultad de Ingeniería de la casa de estudios que albergó esta investigación, el equipo desarrolló herramientas de software para la creación de nuevos diseños de intercambiadores de calor, impresos en 3D.
«Desarrollamos un software de optimización de formas para diseñar un intercambiador de calor de alto rendimiento», señaló William King, profesor de Ciencias Mecánicas y coautor del estudio. «El software nos permite identificar diseños 3D que son significativamente diferentes y mejores que los diseños convencionales», agregó, al ser consultado por la Universidad de Illinois.
El sistema presentado por este equipo, cuya representación gráfica acompaña a este artículo, se basa en un tubo contenido dentro de otro, siguiendo un principio similar al de los calentadores presentes en algunos edificios para el agua potable o calefacción ambiental.
Para aplicar este principio a una escala reducida, adecuada para las necesidades de la industria, los investigadores diseñaron un sistema de aletas internas para los cubos que sólo puede obtenerse mediante la impresión 3D.
«Nuestro intercambiador de calor optimizado tiene aproximadamente 20 veces más densidad de potencia volumétrica que un dispositivo comercial de tubo en tubo de última generación actual», comentó Nenad Miljkovic, profesor asociado de Ciencias Mecánicas e Ingeniería y coautor del estudio.
Un artículo que presenta las principales observaciones de este estudio, junto al modelo propuesto, fue publicado en la revista Joule.