Logran optimización térmica mediante la fabricación aditiva
Un equipo de investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign ha desarrollado un condensador refrigerado por agua utilizando la fabricación aditiva. El objetivo del estudio, publicado en la revista Journal of Heat and Mass Transfer, fue diseñar y fabricar un intercambiador de calor compacto que maximice la eficiencia térmica mediante estructuras internas imposibles de lograr con métodos de fabricación tradicionales. Este avance es un importante paso hacia soluciones más eficientes en el ámbito del manejo térmico en sistemas energéticos avanzados.
Los condensadores son componentes fundamentales en una amplia variedad de sectores industriales, desde la generación de energía hasta los sistemas de climatización y refrigeración. Su principal función es extraer el calor de los procesos industriales y su rendimiento tiene un impacto directo en la eficiencia energética general de los sistemas en los que operan. Por esta razón, los investigadores decidieron buscar cómo mejorar su diseño y funcionalidad para reducir el consumo energético.
El condensador fabricado mediante el proceso DMLS y detalles de su estructura que mejoran la transferencia de calor. (Créditos de la foto: Omar M. Zaki).
El equipo de investigación aplicó una metodología de diseño basada en modelos físicos para explorar de manera rápida distintas posibilidades estructurales. Posteriormente, se realizaron simulaciones detalladas de dinámica de fluidos computacional (CFD) para validar el desempeño térmico del diseño. El resultado fue un condensador con canales alternos para el paso de agua y refrigerante (principio básico del proceso de un condensador), mejorados mediante formas tridimensionales que incluyen alerones ondulados en el lado del agua y estructuras tipo “chevron” en el lado del refrigerante. Estas geometrías mostraron mejorar la transferencia de calor.
Para fabricar el condensador, se utilizó el proceso sinterizado selectivo por láser (DMLS) en concreto, la impresora EOS M290, empleando una aleación de aluminio AlSi10Mg como material. Se puso especial atención a la orientación de impresión para facilitar la fabricación de las complejas estructuras internas y para evitar problemas de soporte en voladizos. Se optó por una resolución mínima de 1 mm que, aunque parece muy pequeña, garantiza la fuerza de las estructuras más chicas y es adecuada para eliminar el exceso de polvo metálico.
Diseño del condensador de refrigerante de flujo cruzado. (Créditos de la imagen: Omar M. Zaki).
Uno de los principales beneficios de aplicar fabricación aditiva en este tipo de dispositivos es la libertad de diseño que ofrece. A diferencia de los métodos tradicionales, la impresión 3D posibilita la integración de superficies internas complejas y estructuras altamente optimizadas en un solo proceso de fabricación. Esto se traduce en dispositivos más ligeros, compactos y eficientes. En el caso del condensador desarrollado por la Universidad de Illinois, se logró una densidad de potencia volumétrica de hasta 6.2 MW/m³, lo que se traduce en un aumento del rendimiento en un 30% a 50% en comparación con los condensadores tipo carcasa y tubo convencionales. Todo esto sin aumentar el consumo de energía para el bombeo del fluido.
Los resultados experimentales no solo demuestran la viabilidad del diseño, sino que abren la puerta al uso de esta metodología en el desarrollo de otros dispositivos térmicos avanzados. En el futuro, los investigadores planean adaptar el diseño para trabajar con diferentes refrigerantes y explorar aplicaciones en sectores como la movilidad eléctrica, la computación de alto rendimiento y los sistemas de energía renovable. Puedes consultar el artículo completo aquí.
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*Foto de portada: Ejemplo de unidad condensadora refrigerada por agua. Créditos: Kaideli
