Los intercambiadores de calor son dispositivos que se encargan de mover el calor de un lugar a otro, y están por todas partes: en centros de datos, barcos, fábricas y edificios. Su función principal es transferir la mayor cantidad de calor posible de un lado al otro del aparato. La mayoría sigue unos pocos diseños clásicos, que se han mantenido porque son los más simples y económicos de fabricar.
"Los intercambiadores de calor están en el centro de la economía industrial. Son parte esencial de todas las máquinas y sistemas que mueven energía", afirma William King, profesor de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign y uno de los autores del nuevo estudio. Los diseños actuales suelen apostar por formas simples: líneas rectas, ángulos rectos y tubos redondos, añade.
King y sus colegas utilizaron la impresión 3D para diseñar un intercambiador de calor que incluye características para optimizar el movimiento del calor, como paredes onduladas y protuberancias en forma de pirámide, algo que no sería posible de fabricar utilizando técnicas tradicionales.
El equipo se había propuesto diseñar un sistema basado en un refrigerante común llamado R-134a, que se utiliza habitualmente en aparatos como aires acondicionados y frigoríficos. Cuando el agua fría baja la temperatura del refrigerante, éste pasa de gas a líquido en su recorrido por el dispositivo. Ese refrigerante líquido puede pasar a otras partes del sistema de refrigeración, donde se utiliza para bajar la temperatura de cualquier cosa, desde una habitación hasta un rack de servidores.
La mejor manera de enfriar el refrigerante implica la construcción de paredes muy finas entre los dos lados del dispositivo y la maximización de la cantidad de contacto que el agua y el refrigerante hacen con esas paredes. Piensa por ejemplo en cuánto más frío pasarías llevando una camiseta y unos pantalones finos y tumbado sobre el hielo que simplemente tocándolo con las manos enguantadas.
Para diseñar el mejor intercambiador de calor posible, los investigadores utilizaron simulaciones y desarrollaron modelos de aprendizaje automático para ayudar a predecir el rendimiento de distintos diseños en diferentes condiciones. Tras 36.000 simulaciones, los investigadores dieron con el que decidieron desarrollar.
Uno de los elementos clave del nuevo diseño son unas pequeñas aletas que sobresalen del lado del dispositivo que entra en contacto con el agua. Estas aletas aumentan la superficie disponible, lo que mejora la transferencia de calor. Además, el equipo creó pasajes ondulados para que el agua fluya por caminos en forma de curva, lo que también ayuda a incrementar la superficie. Gracias a simulaciones por computadora, los investigadores lograron determinar cuán curvados debían ser esos caminos y en qué lugar exacto colocar cada aleta.
Del lado por donde circula el refrigerante, el diseño incorpora unos pequeños bultos con forma de pirámide en las paredes internas. Estos no solo amplían la superficie de enfriamiento, sino que también mezclan el refrigerante mientras avanza y evitan que se forme una capa líquida sobre las paredes, algo que podría ralentizar la transferencia de calor.
Una vez decidido el diseño, los investigadores utilizaron una técnica de impresión en 3D llamada sinterización directa de metales por láser, en la que los láseres funden y fusionan un polvo metálico (en este caso, una aleación de aluminio) capa a capa.
En las pruebas, los investigadores descubrieron que el intercambiador de calor diseñado con esta nueva técnica lograba enfriar el refrigerante de manera más eficiente que otros modelos tradicionales. El nuevo dispositivo alcanzó una densidad de potencia superior a los seis megavatios por metro cúbico, superando al clásico diseño de tubo y carcasa entre un 30% y un 50%. Eso fue posible usando la misma cantidad de energía para bombear el fluido. Su rendimiento fue comparable al de los intercambiadores de placas soldadas, otro diseño muy utilizado en la industria.
En general este dispositivo no supera ampliamente la tecnología más avanzada, pero la técnica de utilizar el modelado y la impresión 3D para producir nuevos diseños de intercambiadores de calor es prometedora, afirma Dennis Nasuta, director de Investigación y Desarrollo de Optimized Thermal Systems, una consultora que trabaja con empresas del sector de la calefacción, ventilación y aires acondicionados en diseño e investigación. "Merece la pena explorarlo, y no creo que sepamos aún hasta dónde podemos llegar", afirma Nasuta.
Uno de los retos es que, hoy en día, las técnicas de fabricación aditiva como el sinterizado láser son lentas y caras en comparación con la fabricación tradicional; no sería económico ni factible confiar en ellas para todos nuestros dispositivos de refrigeración de consumo, afirma. Por ahora, este tipo de enfoque podría ser más útil en aplicaciones nicho como la aeroespacial y la automoción de gama alta, que podrían asumir mejor el coste, añade.
Este estudio ha sido financiado por la Oficina de Investigación Naval de Estados Unidos. Según Nenad Miljkovic, uno de los autores del estudio, los buques de nueva generación llevan a bordo más componentes electrónicos que nunca, por lo que cada vez son más necesarios sistemas compactos y eficientes que gestionen todo ese calor adicional.
La demanda de energía sólo para refrigerar edificios se duplicará de aquí a 2050, y los nuevos diseños podrían ayudar a satisfacer eficazmente la enorme demanda prevista para las próximas décadas. Pero todavía hay desafíos por resolver—como los costos de fabricación—para que innovaciones como la que desarrollaron King y su equipo puedan llegar a aplicarse en dispositivos reales y marcar una diferencia.
Otra barrera para adoptar estas nuevas técnicas dice Nasuta, es que las normas actuales no exigen más eficiencia. Ya existen otras tecnologías que podrían ayudar a que nuestros dispositivos fueran más eficientes, pero no se utilizan por la misma razón.
Natsua añade que las nuevas técnicas de fabricación, incluida la impresión 3D, tardarán en llegar a nuestros dispositivos: "Esto no va a estar en tu AC el año que viene".