Design of an additively manufactured heat exchanger

Abstract

The use of additive manufacturing is getting increasingly common in all areas of engineering. In this work, the design of an additively manufactured air-to-water charge air cooler for a 20cm-bore internal combustion engine is studied. This heat exchanger must be capable of 130 kW of heat transfer with 1% pressure loss under tight geometric constrains imposed by the printer bed size. Furthermore, it must be manufactured from a single piece and fit in the cramped space of a laboratory engine intake system. Computational fluid dynamics with the OpenFOAM-suite was used to find a heat exchange surface geometry that meets these requirements. Overall performance estimations and comparisons to conventional tube-fin heat exchangers are made using the ε-NTU-method.

Powder-bed manufacturing methods, like selective laser melting, have advantages for use in heat exchange applications. The high surface roughness and freedom in shape generation are very useful for high performance heat exchange applications. On the other hand, minimum wall-thickness and feature size limitations make conventional heat exchange surfaces, such as finned tubes, somewhat problematic. The use of computational fluid dynamics makes it possible to generate novel heat exchange surfaces that retain the performance of conventional geometries but are well suited for additive manufacturing.

The fundamentals of forced convective heat transfer formed the basis for studying novel geometries: short characteristic length of each individual heat transfer surface and high local flow velocities maximize heat transfer for a given area. Some interesting studies using airfoils as heat transfer surfaces provided the inspiration for a numerical investigation performed in this work. Airfoil tubes proved to be highly effective heat transfer geometries, matching or exceeding conventional fin-tube surfaces. The use of additive manufacturing allows the design of conformal heat exchanger shapes and the optimization of each tube for the local flow condition.

Computational fluid dynamics was used to find the optimal array of heat exchange tubes. CFD is highly useful when used with additive manufacturing as it can be used to virtually test and optimize a design for highly complex flow conditions, such as those found in turbocharging systems of modern internal combustion engines. If the numerical simulations can be validated by experimentation, additively manufactured heat exchangers can be designed achieve superior performance to conventional heat exchangers, especially when size and shape requirements are considered.

Ainetta lisäävien valmistumenetelmien käyttö yleistyy jatkuvasti kaikilla insinöörityön alueilla. Tässä diplomityössä tutkitaan ainetta lisäämällä valmistetun ilma-vesi lämmönvaihtimen suunnittelua turboahdetun polttomoottorin imuilman jäähdytyksessä. Tämän lämmönvaihtimen tulee pystyä 130kW lämmönvaihtotehoon 1% painehäviöllä. Suunnittelua rajoittaa geometrisesti vaatimus valmistaa se yhdellä tulostuksella jolloin suurin sallittu koko on valmistuskoneen tulostuspöydän koko. Lämmönvaihtopintojen geometrian suunnittelussa hyödynnettiin tietokoneavusteista virtauslaskentaa (CFD) OpenFOAM-ohjelmistolla.

Metalliosien tulostamisessa käytetyillä jauhepetimenetelmillä on luontaisia etuja lämmönvaihtimien valmistukseen. Menetelmälle tyypillinen suuri pinnankarheus ja vapaus pintojen geometriassa mahdollistavat korkeatehoisten lämmönvaihtopintojen valmistamisen. Toisaalta seinämänpaksuus- ja piirrekokorajoitteet estävät tiettyjen muotojen, kuten ohuiden lamellien, käytön. Perinteiset lämmönvaihtogeometriat eivät siten ole soveltuvia jauhepetimenetelmillä valmistettaviksi, ainakin mikäli tukimateriaalin ja kappaleen jälkikoneistuksen määrä halutaan minimoida. Näiden syiden takia CFD-analyysin käyttö on luontaista uusien, perinteisesti valmistettujen lämmönvaihtimien suorituskykyyn yltävien lämmönvaihtopintojen löytämiseksi.

Konvektiivisen lämmönvaihdon perusperiaatteita noudattaen kävi ilmi, että yksittäisen pinnan pituuden minimointi ja paikallisen virtausnopeuden maksimointi johtaa hyvään suorituskykyyn. Kirjallisuudesta löytyi tutkimuksia, joissa siipiprofiileja käyttettiin lämmönvaihtopintoina. Siipiprofiilit osoittautuivatkin erityisen tehokkaiksi tässä käytössä, jopa ylittäen perinteisten lamellipintojen suorituskyvyn oikeissa olosuhteissa. CFD:n käyttö mahdollistaa lämmönvaihtimen muodon ja jopa yksittäisten lämmönvaihtopintojen optimoinnin paikallisiin virtausolosuhteisiin, mahdollistaen erinomaisen suorituskyvyn vaikeissakin olosuhteissa, kuten polttomoottorin ahtoilmajärjestelmässä. CFD onkin erityisen hyödyllinen työkalu yhdistettynä ainetta lisääviin valmistusmenetelmiin, koska se mahdollistaa monimutkaisten ja innovatiivisten pintojen tutkimisen halvalla koekappaleisiin verrattuna. Jos simulaatiot kyetään validoimaan testikappaleilla, voidaan ainetta lisääviä valmistusmenetelmiä hyödyntäen suunnittelemaan huomattavasti perinteistä pienempiä ja tehokkaampia lämmönvaihtimia.