Os trocadores de calor são amplamente utilizados na maioria das indústrias, incluindo as de energia, água, manufatura, transporte, construção, eletrônica, química, petroquímica, agricultura e aeroespacial.
Eles têm a finalidade de transferir calor de um fluido para o outro, e são normalmente inseridos em processos com a finalidade de resfriar ou aquecer um determinado fluido.
Um exemplo comum de trocador de calor é o radiador em um carro, no qual a fonte de calor, a água, sendo um fluido quente de refrigeração do motor, transfere calor para o ar fluindo através do radiador.
Embora sejam muito utilizados, por décadas os projetos de trocadores de calor permaneceram relativamente inalterados.
No entanto, os avanços recentes na impressão 3D vêm permitindo o desenho de trocadores tridimensionais antes considerados impossíveis.
Esses projetos novos e inovadores operam de forma significativamente mais eficaz e eficiente, mas exigem ferramentas de software e métodos de projeto específicos para fabricar os dispositivos de alto desempenho.
Nesse sentido, pesquisadores do Grainger College of Engineering, nos Estados Unidos, desenvolveram ferramentas de software que permitem novos projetos de trocadores de calor 3D.
“Desenvolvemos um software de otimização de forma para projetar um trocador de calor de alto desempenho”, disse William King, professor de Ciência Mecânica e Engenharia do Grainger College of Engineering e co-líder do estudo. “O software nos permite identificar designs 3D que são significativamente diferentes e melhores do que os designs convencionais.”
A equipe começou estudando um tipo de trocador conhecido como trocador de calor tubo-em-tubo, onde um tubo está aninhado dentro de outro tubo. Trocadores de calor tubo-em-tubo são comumente usados em água potável e sistemas de energia de edifícios.
Usando uma combinação de software de otimização de forma e manufatura aditiva, os pesquisadores projetaram aletas (só possíveis com a impressão 3D de metal) internas aos tubos.
O algoritmo genético auxilia no projeto de geometrias de aletas ideais para os trocadores, que minimizam a resistência térmica total entre fluido quente e fluido frio.
Nas imagens: À direita, tomografia computadorizada (TC) do trocador de calor tubo-em-tubo. A cor vermelha representa as aletas externas, a cor azul representa as aletas internas. À esquerda, corte transversal do projeto (acima) e protótipo pronto (abaixo).
“Projetamos, fabricamos e testamos um trocador de calor tubo a tubo otimizado”, disse Nenad Miljkovic, professor associado de Ciência Mecânica e Engenharia e co-líder do estudo. “Nosso trocador de calor otimizado tem densidade de potência volumétrica cerca de 20 vezes maior do que um dispositivo tubo-a-tubo comercial de última geração.”
O artigo “Desenvolvimento de trocadores de calor com densidade de ultra-potência por meio de projeto de algoritmo genético e manufatura aditiva”, escrito por Hyunkyu Moon, Davis McGregor, Nenad Miljkovic e William P. King, foi publicado na revista Joule no início de setembro.