엔지니어들은 3D 프린팅 기술을 사용하여 열교환기 성능을 2000% 향상시켰습니다.

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일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스 연구팀은 3D 프린팅 기술을 사용해 차세대 초소형 열교환기를 생산해 최대 2000% 성능 향상을 달성했습니다.

새로운 형상을 구현하기 위해 엔지니어들은 토폴로지 최적화 기능을 갖춘 전용 3D 열교환기 설계 소프트웨어를 개발했습니다. 이 프로그램은 기존 열교환기 설계를 최적화하여 열 전달을 최대화하는 동시에 부품 중량을 최소화하도록 특별히 설계되었습니다. 이는 에너지, 전자, 항공우주 등 산업에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

"우리는 고성능 열 교환기를 설계하기 위해 형상 최적화 소프트웨어를 개발했습니다."라고 기계 과학 및 공학 교수이자 연구의 공동 리더인 William King은 설명합니다. "이 소프트웨어를 사용하면 기존 디자인과 크게 다르고 더 나은 3D 디자인을 식별할 수 있습니다."

열교환기의 발전 필요성

열 교환기는 단순히 A 지점에서 B 지점으로 열 에너지를 전달하는 데 사용됩니다. 열 교환기는 대부분의 주요 산업에서 매우 중요하며 열을 생성하는 거의 모든 복잡한 시스템에 사용됩니다. 여기에는 발전 시스템, 운송, 석유 및 가스 처리, 담수화, 가전제품의 열 관리가 포함됩니다.

오늘날 전 세계에서 수백만 개의 열교환기가 사용되고 있기 때문에 글로벌 지속 가능성과 에너지 소비 감소와 관련하여 열교환기의 성능과 효율성이 그 어느 때보다 중요해졌습니다. 효율적인 열 흐름을 촉진하는 동시에 작고 가벼운 장치가 필요합니다. 항공우주와 같은 일부 산업에서는 부품 크기와 질량이 시스템 성능, 범위 및 비용에 직접적인 영향을 미치기 때문에 이러한 조합이 특히 중요합니다.

불행하게도 일리노이 연구원들에 따르면 열 교환기 설계는 지난 수십 년 동안 그다지 많이 변하지 않았습니다. 기존 제조 기술의 한계로 인해 열 흐름을 최적화하는 내부 채널과 같은 복잡한 구조를 통합할 수 없었습니다. 그러나 이제 금속 3D 프린팅이 실행 가능한 옵션이 되면서 이전에는 불가능하다고 여겨졌던 3D 열교환기 설계를 쉽게 제작할 수 있습니다. 필요한 것은 새롭고 더욱 효율적인 장치를 설계하기 위한 전용 소프트웨어 도구뿐이었습니다.

최적화된 튜브인튜브 열교환기

팀은 3D 설계 소프트웨어를 사용하여 식수 ​​시스템과 건물 에너지 시스템에서 흔히 볼 수 있는 튜브-인-튜브 교환기라는 특수한 유형의 열 교환기를 연구했습니다. 이름에서 알 수 있듯이 튜브-인-튜브 교환기는 외부 튜브 내부에 중첩된 내부 튜브를 특징으로 합니다. 일리노이 디자인에는 튜브 내부에 통합 핀 세트도 있었는데, 이는 3D 프린팅 기술을 통해서만 가능했던 내부 디자인 기능입니다.

최적화된 설계가 확정되면 엔지니어들은 AlSi10Mg를 사용하여 열 교환기를 인쇄하고 실험실 환경에서 성능을 테스트했습니다. 이 장치는 26.6W/cm3의 전력 밀도와 15.7kW/kg의 특정 전력을 갖는 것으로 확인되었으며, 이는 동급 상용 열교환기보다 약 20배 높은 것으로 알려졌습니다.

이번 연구의 공동 리더이자 기계 과학 및 공학 부교수인 Nenad Miljkovic은 "우리는 최적화된 튜브 내 튜브 열교환기를 설계, 제작 및 테스트했습니다."라고 말했습니다. "우리의 최적화된 열교환기는 현재 최첨단 상업용 튜브인튜브 장치보다 약 20배 더 높은 체적 전력 밀도를 가지고 있습니다."

이번 연구에 대한 자세한 내용은 '유전자 알고리즘 설계 및 적층 가공을 통한 초전력밀도 열교환기 개발'이라는 제목의 논문에서 확인할 수 있다. 문현규, Davis McGregor, Nenad Miljkovic, William King이 공동 집필했습니다.

이달 초 호주 RMIT 대학의 연구원들은 제트 연료로 구동되는 차세대 3D 프린팅 열교환기 세트를 개발했습니다. 3D 프린팅된 촉매는 제올라이트라고 알려진 합성 광물로 코팅된 금속 열교환기입니다. 제트 연료를 냉각수로 사용하면 극초음속 비행의 가장 큰 문제 중 하나인 과열을 해결하는 열쇠가 될 수 있습니다.