Thiết bị trao đổi nhiệt đóng vai trò thiết yếu trong nhiều ngành công nghiệp, từ sản xuất điện, lọc hóa dầu đến hàng không vũ trụ. Tuy nhiên, thiết kế truyền thống thường gặp nhiều hạn chế về hiệu quả và khả năng tùy chỉnh. Nhờ những lợi ích của công nghệ in 3D kim loại (sản xuất bồi đắp), ngành công nghiệp đang chứng kiến một cuộc cách mạng trong lĩnh vực chế tạo bộ trao đổi nhiệt.
1. Bộ trao đổi nhiệt là gì?
Nói đơn giản, bộ trao đổi nhiệt là thiết bị được sử dụng để truyền nhiệt giữa hai chất lưu khác nhau. Bạn có thể dễ dàng tìm thấy chúng trong mọi thứ, từ máy điều hòa không khí đến động cơ tên lửa, bởi ứng dụng của chúng rất rộng rãi.
Thiết bị trao đổi nhiệt là một hệ thống được sử dụng trong cả quá trình làm mát và làm nóng. Chức năng làm mát của bộ phận trao đổi nhiệt giúp các ngăn chặn các thiết bị bị hỏng do quá nhiệt, bên cạnh đó chức năng làm nóng có thể dùng dể sưởi ấm. Thiết kế của thiết bị trao đổi nhiệt thường đòi hỏi sự cân bằng phức tạp giữa việc tối đa hóa diện tích bề mặt của thiết bị và tối thiểu sự giảm áp suất bên trong.
Ngày nay, những tiến bộ trong thiết kế dành cho sản xuất bồi đắp (in 3D kim loại) đang đem lại những đột phá trong việc tái thiết kế bộ phận thiết yếu này. Gần đây, một mẫu thử bộ trao đổi nhiệt của GE có khả năng xử lý nhiệt độ lên tới 900°C, cao hơn 200°C so với các thiết bị hiện đại hàng đầu. GE Research cho biết nguyên mẫu của họ có thể ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng, giúp “sản xuất điện sạch hơn, hiệu quả hơn cho cả các nhà máy phát điện hiện tại và thế hệ tiếp theo, cũng như nền tảng động cơ máy bay phản lực”.
Bộ trao đổi nhiệt được in 3D nguyên khối bởi Stratasys (Nguồn: Stratasys)
2. Chế tạo bộ trao đổi nhiệt với công nghệ sản xuất bồi đắp
2.1. Tại sao lại là sản suất bồi đắp?
Sản xuất bồi đắp kim loại (in 3D kim loại) với các loại công nghệ khác nhau mang lại một số lợi ích đáng kể, giúp tạo ra các bộ phận nhẹ hơn, nhỏ hơn, hiệu quả hơn và đáng tin cậy hơn.
2.1.1. Sản xuất nguyên khối
Ưu điểm đầu tiên của in 3D kim loại là khả năng sản xuất lõi và ống dẫn thành một khối thống nhất. Điều này giúp loại bỏ các bước gia công, lắp ráp, hoặc hàn do đó toàn bộ quá trình trở nên nhanh hơn.
Bộ trao đổi nhiệt được sản xuất theo phương pháp truyền thống thường sẽ liên kết các bề mặt cánh (fin) hoặc tấm (plate) riêng lẻ với nhau để tăng diện tích trao đổi nhiệt. Đây là một quy trình thủ công, và nếu bất kỳ mối nối nào bị hỏng, nó có thể dẫn đến hỏng toàn bộ thiết bị. In 3D kim loại giúp loại bỏ rủi ro này bằng cách tạo ra một bộ phận trao đổi nhiệt dạng khối thống nhất, đồng thời cũng giúp giảm đáng kể trọng lượng.
2.1.2. Kích thước nhỏ gọn và hiệu quả hơn
Một lợi thế khác của sản xuất bồi đắp kim loại là khả năng tạo ra bất kỳ kích thước hoặc hình dạng nào. Những thiết kế độc đáo và các chi tiết bên trong chỉ có thể thực hiện được với in 3D kim loại giúp thu nhỏ đáng kể kích thước của các bộ phận này.
Bộ trao đổi nhiệt được sản xuất bằng phương pháp này có hình dạng nhỏ gọn hơn nhiều, phù hợp với những không gian hạn chế. Sản xuất các bộ phận độc đáo, có khả năng tùy chỉnh với số lượng nhỏ thường thấy trong các ngành công nghiệp như mô tô thể thao và hàng không vũ trụ, nơi động cơ có thiết kế riêng biệt và không gian lắp đặt hẹp cho một thiết bị trao đổi nhiệt. In 3D kim loại là phương pháp tuyệt vời cho các trường hợp này vì bạn có thể thiết kế các ống dẫn và hình dáng bộ phận trao đổi nhiệt tùy chỉnh để phù hợp với những khoảng trống hẹp.
Ngoài ra, với quy trình sản xuất bồi đắp không cần tới khuôn mẫu, nhiều biến thể của một bộ phận có thể được chế tạo cùng lúc.
2.1.3. Diện tích bề mặt tiếp xúc lớn hơn
Các mạng lưới lõi bên trong có thành siêu mỏng làm tăng đáng kể diện tích tiếp xúc và năng suất của bộ trao đổi nhiệt. Các quy trình sản xuất bồi đắp kim loại, chẳng hạn như laser powder bed fusion (PBF), có khả năng tạo ra các thành mỏng tới 0,1 mm hoặc thậm chí mỏng hơn. Mặc dù độ mỏng này không bằng một số phương pháp sản xuất truyền thống, nhưng các tính năng khác của in 3D kim loại có thể bù đắp hạn chế này để tạo ra sản phẩm cuối cùng vẫn nhẹ hơn và nhỏ gọn hơn.
Bộ trao đổi nhiệt in 3D do Vinnotek thiết kế (Nguồn: Vinnotek)
Việc tạo ra các thành mỏng trong in 3D kim loại cũng đi kèm với những thách thức và thường đòi hỏi nghiên cứu và phát triển các thông số quy trình để sản xuất các cấu trúc thành mỏng này. Tuy nhiên, đây là lựa chọn lý tưởng cho bộ trao đổi nhiệt.
2.2. Tiềm năng trong thiết kế
Cúng ta có thể thấy rằng tốc độ truyền nhiệt được thể hiện bởi phương trình sau:
Như chúng ta đã thấy, tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào một số yếu tố khác nhau.
Thứ nhất, độ dẫn nhiệt (k) thường phụ thuộc vào việc lựa chọn vật liệu, vì vậy có vẻ hợp lý khi sử dụng vật liệu có độ dẫn nhiệt cao nhất. Tuy nhiên, khi thiết kế bộ trao đổi nhiệt cho vô số ứng dụng, thông thường độ dẫn nhiệt của vật liệu là quan trọng, nhưng cũng cần xem xét đến độ bền, mật độ của vật liệu và điểm nóng chảy. Điều này giúp tìm ra vật liệu tối ưu cho thiết kế của bộ phận.
Tiếp theo, chúng ta xem xét diện tích tiếp xúc (A), là yếu tố cần được tối đa hóa để truyền nhiệt tốt hơn.
Phương trình cũng cho chúng ta thấy rằng độ dày thành mỏng (dx) càng nhỏ thì độ dẫn nhiệt qua thành càng tốt. Do đó, khi nói đến thiết kế bộ trao đổi nhiệt, độ dày thành là một lĩnh vực khác mà sản xuất bồi đắp (AM) thể hiện ưu điểm vượt trội.
Độ dày thành tối thiểu cho sản xuất bồi đắp kim loại bằng phương pháp Laser powder bed fusion (LPBF) là khoảng 0,5 mm, nhưng với việc tối ưu hóa thông số máy in, chúng ta có thể giảm độ dày thành xuống mức thấp hơn nhiều so với con số này.
2.2.1. Thiết kế với cấu trúc gyroid
Mới đây, các kỹ sư của Vinnotek đã thiết kế lại cold plate (tấm làm mát) với cấu trúc gyroid.
Cấu trúc Gyroid tối ưu hóa thiết kế bộ phận trao đổi nhiệt
Điểm nổi bật của thiết kế mới là sử dụng cấu trúc gyroid, giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc chất lỏng với tỉ lê 145% so với đường ống truyền thống. Nhờ vậy, hiệu quả truyền nhiệt được cải thiện, dẫn đến việc giảm nhiệt độ hoạt động cao nhất từ 60°C xuống còn 40°C (giảm 30% so với thiết kế ban đầu).
Đọc thêm về cấu trúc Gyroid tại đây:
COLD PLATE VỚI CẤU TRÚC GYROID - TĂNG HIỆU SUẤT LÀM VIỆC LÊN ĐẾN 30%
MŨ BẢO HIỂM XE ĐẠP VỚI CẤU TRÚC GYROID BỀN NHẸ
Ngoài ra, thiết kế mới cũng tối ưu hóa dòng chảy bên trong ống dẫn, giúp giảm thiểu ứ đọng và góp phần giảm nhiệt độ chung của thiết bị. Tuy nhiên, để có thể đạt được hiệu quả như mong muốn, cold plate với thiết kế đặc biệt này chỉ có thể được sản xuất bằng phương pháp sản xuất bồi đắp (AM).
Nhìn chung, việc cải tiến thiết kế bộ trao đổi nhiệt bằng cấu trúc gyroid và thiết kế dòng chảy tối ưu đã mang lại những lợi ích đáng kể, giúp giảm nhiệt độ hoạt động và nâng cao hiệu quả làm mát cho thiết bị.
2.2.2. Thiết kế với cấu trúc dạng lưới (lattice structures)
Sử dụng các cấu trúc dạng lưới (lattice structures) cho bộ trao đổi nhiệt là một phương pháp phổ biến không kém vì chúng làm tăng diện tích bề mặt theo phương trình ở trên.
Các cấu trúc lưới trong in 3D kim loại
Một loại cấu trúc lưới phổ biến trong trường hợp này là cấu trúc lưới bề mặt tối thiểu tuần hoàn ba (triply periodic minimal surface - TPMS). Loại cấu trúc này có thể chia tách bộ trao đổi nhiệt thành nhiều vùng riêng biệt. Phần mềm thiết kế cho sản xuất bồi đắp kim loại có thể tạo ra các cấu trúc lưới TPMS này để tăng diện tích bề mặt. Bằng cách thay đổi kích thước ô lưới và mật độ của cấu trúc lưới bên trong phần mềm, ta có thể điều chỉnh các thông số của thiết bị trao đổi nhiệt và tối ưu hóa thiết kế luồng chảy để giảm thiểu sụt áp và cải thiện hiệu quả của hệ thống. Tuy nhiên, giữ được sự cân bằng giữa diện tích bề mặt và áp suất là thách thức phổ biến mà các nhà thiết kế bộ phận trao đổi nhiệt phải đối mặt hàng ngày.
Bởi tính chất của mỗi ngành khác nhau nên các thiết bị trao đổi nhiệt lại được thiết kế khác. Chính vì vậy để cho thiết bị được sử dụng tối ưu cần có sự đánh giá, tư vấn của các chuyên gia trong ngành. Vinnotek tự hào là đơn vị hàng đầu cung cấp dịch vụ thiết kế và tính toán mô phỏng chất lượng cao, cũng như có đội ngũ kỹ sư tư vấn khảo sát giàu kinh nghiệm và nhiệt tình.
Hãy liên hệ với Vinnotek ngay hôm nay để trải nghiệm sự đổi mới và tiên tiến bộ trao đổi nhiệt trong ngành công nghiệp của bạn.
Nguồn tài liệu:
ENGINEERS USE 3D PRINTING TECHNOLOGY TO BOOST HEAT EXCHANGER PERFORMANCE BY 2000%
Better Heat Exchangers with Additive Manufacturing
THÔNG TIN LIÊN HỆ:
☎Số điện thoại: (+84)905300382
📩Email: sales@vinnotek.com
💻Website: https://vinnotek.com/
⚡LinkedIn: https://tinyurl.com/VINNOTEKlinkedin
⚡Facebook: https://tinyurl.com/VINNOTEK
