في عالم التكنولوجيا الحديثة، تلعب مبادلات الحرارة دورًا حيويًا في العديد من التطبيقات مثل الطيران وتوليد الطاقة والعمليات الصناعية. وقد استحدث الباحثون في جامعة ويسكونسن ماديسون تقنية جديدة تعتمد على الطباعة ثلاثية الأبعاد لتحسين كفاءة هذه المبادلات، مما يفتح آفاقًا جديدة في تصميمها وتشغيلها.
الطباعة ثلاثية الأبعاد: الابتكار في تصميم مبادلات الحرارة
عادةً ما يتم تصميم مبادلات الحرارة باستخدام أنابيب مستقيمة لتسهيل عملية التصنيع. إلا أن هذه الهندسة ليست بالضرورة الأكثر كفاءة في نقل الحرارة بين السوائل الساخنة والباردة. هنا يأتي دور الطباعة ثلاثية الأبعاد، التي تمكن الباحثين من إنشاء هياكل ذات هندسة معقدة تجعل المبادلات أكثر كفاءة.
استفاد البروفيسور شياوبينغ كيان من تقنية التصنيع الإضافي لإنشاء تصميمات مبتكرة لقنوات السوائل داخل مبادل الحرارة، مما يزيد من كفاءة نقل الحرارة. وقد استخدم في ذلك خبرته في تحسين الطوبولوجيا، وهي مقاربة حسابية تدرس توزيع المواد في الهيكل لتحقيق أهداف تصميم معينة.
التحديات والحلول: تحقيق التوازن بين التصميم والتصنيع
أحد التحديات الرئيسية في تصميم مبادلات الحرارة هو القدرة على تصنيعها بشكل فعلي. وقد استخدم كيان تقنية حاصلة على براءة اختراع تُعرف باسم محيط القطع المسقط، التي تأخذ في الاعتبار قيود التصنيع لضمان إمكانية بناء التصميم واختباره.
بالتعاون مع البروفيسور دان توما، تم استخدام تقنية تصنيع المعادن بواسطة الليزر لإنشاء مبادل الحرارة بطباعة ثلاثية الأبعاد. هذا التصميم الأمثل يتميز بقنوات سوائل ساخنة وباردة متداخلة مع ميزات سطحية معقدة توجه تدفق السوائل في مسار ملتوي يعزز من نقل الحرارة.
اختبار الأداء: مقارنة التصميمات التقليدية والحديثة
تم إجراء اختبارات حرارية هيدروليكية على مبادل الحرارة الأمثل وتصميم تقليدي للمقارنة بين أدائهما. وجد أن التصميم الأمثل ليس فقط أكثر فعالية في نقل الحرارة، بل يحقق أيضًا كثافة طاقة أعلى بنسبة 27٪ من التصميم التقليدي، مما يجعله أخف وزنًا وأكثر كومباكتةً.
هذه الخصائص تجعل التصميم الأمثل مناسبًا بشكل خاص لتطبيقات الفضاء والطيران حيث يكون الوزن والحجم من العوامل الحاسمة.
الخاتمة
أثبتت الدراسة الحالية القدرة على تحسين تصميم مبادلات الحرارة باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد والتقنيات الحسابية المتقدمة. من خلال الجمع بين تحسين الطوبولوجيا والتقنيات التصنيعية، تمكن الباحثون من تحقيق تقدم كبير في كفاءة مبادلات الحرارة، مما يعزز من استخداماتها في العديد من المجالات التقنية الحيوية. وقد دعم هذا العمل بواسطة منح من ARPA-E ومؤسسة العلوم الوطنية، مما يتيح للبحث الاستمرار في تطوير هذه التقنيات المبتكرة.
