Гироидный теплообменник: проектирование, расчет площади и теплового потока
Гироидные структуры увеличивают площадь теплообмена по сравнению с классическими конструкциями, сохраняя при этом компактные габариты изделия. В этой статье мы разбираем проектирование двухконтурного теплообменника с гироидной структурой в программах КОМПАС 3D и nTopology: от задания геометрии и разделения потоков до аналитического расчёта площади поверхности и передаваемой тепловой мощности на примере воды как теплоносителя.
Как устроены традиционные теплообменники на две среды
Прежде чем перейти к аддитивным технологиям, разберём, как классически решается задача разделения двух теплоносителей с сохранением высокой площади теплообмена - это поможет понять, откуда возникают ограничения, которые решает гироидная структура.
Кожухотрубный теплообменник
Самая распространённая в промышленности конструкция - пучок труб размещается внутри цилиндрического корпуса (кожуха): один теплоноситель течёт внутри труб, второй - в межтрубном пространстве кожуха.
Ограничения: площадь теплообмена ограничена количеством труб, которое физически можно разместить в кожухе. Увеличение площади требует увеличения габаритов - компактность и эффективность здесь прямо противоречат друг другу.
Пластинчатый теплообменник
Здесь оба теплоносителя разделены тонкими гофрированными металлическими пластинами, которые штампуются и собираются в пакет.
Ограничения: толщина стенки между контурами ограничена технологией штамповки и пайки, а сложность рельефа пластины ограничена возможностями штамповочного пресса - плоская гофра, не более.
Общая проблема традиционных конструкций
Обе технологии - кожухотрубная и пластинчатая - объединены одним фундаментальным ограничением: геометрия канала теплообмена определяется производственным процессом а не оптимальной физикой теплопередачи. Инженер вынужден выбирать между компактностью и эффективностью, потому что субтрактивные и формовочные технологии не позволяют создавать объёмные, непрямолинейные, взаимопроникающие каналы произвольной сложности.
Именно эту проблему решает переход к аддитивному производству: SLM 3D-печать (селективное лазерное сплавление) позволяет напрямую реализовать математически оптимальную геометрию - например, гироидную TPMS-поверхность - без ограничений, накладываемых штамповкой, прокаткой или сваркой.
Почему гироид
Гироид - это математически описываемая минимальная поверхность, которая делит объём на два независимых, не пересекающихся друг с другом канала. Именно это свойство критично для теплообменника на два теплоносителя: горячий и холодный контур физически разделены тонкой стенкой гироида, но при этом имеют максимально возможную площадь контакта.
Этапы проектирования в nTopology
Шаг 1. Определение габаритного объёма
Первый шаг - задание рабочего объёма теплообменника, внутри которого будет сгенерирована структура и элементов оболочки. Это можно сделать в любой CAD-программе и в нашем примере мы использовали КОМПАС-3D как CAD для создания базовых примитивов.
Шаг 2. Генерация гироидной решётки (ImplicitBody- Gyroid)
На этом этапе создаётся сама гироидная поверхность с помощью блока Implicit Body с TPMS-типом Gyroid. Ключевые параметры:
- Размер элементарной ячейки (Unit Cell Size) - определяет частоту повторения структуры
- Толщина стенки - толщина металлической перегородки между контурами
- Тип поверхности - Gyroid
Шаг 3. Разделение сред
Гироидная поверхность как таковая - это просто оболочка. Чтобы получить два изолированных канала для разных теплоносителей, необходимо выполнить булево разделение объёма на две области: «внутри» поверхности и «снаружи» неё. В nTopology это делается через комбинацию булевых операций.
Шаг 4. Создание входных/выходных портов и внешней оболочки
Финальный шаг - присоединение к каждому из двух каналов входного и выходного патрубков, а также формирование внешней герметичной оболочки корпуса. На этом же этапе проверяется отсутствие пересечений между контурами и достаточность толщины стенок для печати.
Упрощенный аналитический расчёт площади поверхности теплообмена
Для оценки эффективности структуры рассчитаем площадь поверхности гироида в заданном объёме.
Исходные данные в СИ:
Тип структуры: гироид (Gyroid TPMS)
Размер элементарной ячейки: a = 5 мм (5×5×5 мм)
Приведенная площадь поверхности гироида – 0,154 м²
Габаритный объём теплообменника: 50×50×50 мм
Материал: титановый сплав Ti-6Al-4V
Теплоноситель (оба контура): вода
h1= h2 - коэффициент теплоотдачи - 2500 Вт/(м²·К)
k - теплопроводность титана - 20 Вт/(м·К)
t - толщина стенки гироида, - 0,0005 м
ΔT - разница температур между горячим и холодным контуром - 40 К
Общий коэффициент теплопередачи и тепловой поток:
Три термических сопротивления - конвекция с горячей стороны, теплопроводность стенки, конвекция с холодной стороны - складываются последовательно:
Зная общий коэффициент теплопередачи, площадь поверхности гироида (полученную геометрическим расчётом в программе) и разницу температур, находим передаваемую мощность:
Печать готовой модели
После завершения проектирования гироидной структуры в nTopology модель экспортируется в формате STL и передаётся на этап подготовки к печати на аддитивную систему КОМРО КМ350М. Тонкие стенки гироида (0.5 мм) и внутренние каналы сложной геометрии печатаются послойно, без необходимости во внутренних поддержках, поскольку сама структура гироида является самонесущей.
После печати деталь проходит стандартный производственный цикл: снятие с платформы построения, термическая обработка для снятия остаточных напряжений и стабилизации микроструктуры.
Как итог, аддитивные технологии открывают новые возможности в решении самых разных технологических задач. Проектирование теплообменников, как одна из востребованных инженерных областей, стало ещё одним наглядным примером того, на что способна SLM-печать сложной геометрии.