Un échangeur de chaleur est un dispositif utilisé pour transférer la chaleur ou l’énergie thermique entre deux ou plusieurs fluides ou d’un milieu à un autre.
Les échangeurs de chaleur peuvent être explorés dans un large éventail d’applications pratiques. Ils peuvent être utilisés dans les processus de refroidissement et de chauffage, la réfrigération, les piles à combustible et les types de moteurs à combustion interne utilisés dans les voitures et les avions.
Dans le but d’améliorer le processus de fabrication de ces dispositifs, une équipe d’ingénieurs de l’université de Glasgow a étudié une méthode qui exploite les propriétés uniques des surfaces microscopiques. Le résultat de ce projet est un nouveau type d’échangeur de chaleur léger, imprimé en 3D, dont la conception ressemble à un labyrinthe. En pratique, le nouvel échangeur de chaleur serait plus compact et plus efficace que ses homologues conventionnels.
Même s’il ne fait qu’un dixième de sa taille, le système prototype nouvellement mis au point serait 50 % plus efficace qu’un échangeur de chaleur conventionnel leader sur le marché. La clé de cette efficacité réside dans la conception des surfaces architecturées sur lesquelles les liquides circulent dans l’échangeur. L’échangeur en forme de cube aspire l’eau à travers un noyau constellé de minuscules trous disposés selon une configuration gyroïde.
Les gyroïdes font partie d’un groupe de conceptions cellulaires qui sont construites à l’aide de géométries de surface minimales triplement périodiques présentant des surfaces périodiques non auto-intersectées et hautement symétriques.
L’équipe a choisi d’utiliser une architecture gyroïde répétitive pour son échangeur de chaleur car l’efficacité de l’échange de chaleur est liée à sa surface – plus la surface est grande, plus les fluides ont la possibilité de transmettre leur énergie thermique de l’un à l’autre. Cela signifie que les objets à grande surface peuvent refroidir ou chauffer des fluides plus rapidement que ceux dont la surface est plus limitée.
Leur gyroïde microscopique, fabriqué à partir d’un simple photopolymère à l’aide d’une imprimante 3D sophistiquée, intègre une grande surface dans un cube compact mesurant 32,2 mm de côté et pesant seulement huit grammes.
En faisant passer de l’eau à travers ce labyrinthe dense, les chercheurs ont pu mettre en évidence des changements de température de 10 à 20ºC lorsque l’eau s’écoulait à travers leur échangeur de chaleur à une vitesse comprise entre 100 et 270 millimètres par minute.
L’équipe a mesuré le coefficient de transfert de chaleur de leur nouvel échangeur – la mesure de son efficacité à transférer la chaleur entre le fluide et ses surfaces – afin de pouvoir déterminer ses performances par rapport à une série d’échangeurs de chaleur conventionnels de taille différente, fabriqués à partir de matériaux tels que les polymères et les métaux.
Ils ont constaté que l’efficacité de leur nouvel échangeur de chaleur était supérieure de 50 % à celle d’un échangeur de chaleur à contre-courant thermodynamiquement équivalent et le plus efficace, bien que leur nouveau prototype ne fasse que 10 % de sa taille.
Le Dr Shanmugam Kumar, de la James Watt School of Engineering de l’université de Glasgow, a dirigé ce projet de recherche. Il a expliqué qu’ils ont déjà démontré comment ce type de treillis microarchitecturé et imprimé en 3D peut être utilisé à des fins telles que les batteries recyclables à haute performance et le développement de futurs dispositifs médicaux « intelligents » tels que les prothèses et les appareils orthopédiques.
« Le fait de pouvoir développer des échangeurs de chaleur plus petits, plus légers et plus efficaces pourrait nous aider à mettre au point des systèmes de réfrigération qui nécessitent moins d’énergie, par exemple, ou des moteurs à haute performance qui peuvent être refroidis plus efficacement. Nous sommes impatients de développer cette technologie dans le cadre de recherches futures« , a-t-il ajouté.
L’article de l’équipe, intitulé « High performance, microarchitected, compact heat exchanger enabled by 3D printing« , est publié dans Applied Thermal Engineering. La recherche a été financée par une société pétrolière nationale d’Abu Dhabi.
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