Un refrigeratore, che raffredda l'aria usando l'aria
Clean-Tech-Azienda justairtech sviluppa un sistema di raffreddamento stampato in 3D con un'efficienza significativamente superiore
26 febbraio 2024 | Tempo di lettura: 15 min.
Non si può fare? Oh sì che si può! Cinque volte più efficiente e con un consumo di elettricità ridotto dell'ottanta per cento.
In questo momento tutti parlano dell'utilizzo delle pompe di calore per il riscaldamento degli edifici. Lo scambiatore di calore non è solo parte integrante di una pompa di calore, ma è anche un componente essenziale di un refrigeratore. Come funziona? Funziona trasferendo energia termica tra due mezzi, anche se con un processo piuttosto inefficiente, che Holger Sedlak, CTO di justairtech, era determinato a migliorare: "Sono stimolato dall'idea di vedere qualcosa che fino ad allora non era raggiungibile e che invece è fisicamente possibile. Poi comincio a cercare soluzioni. In questo caso, ci occupiamo esclusivamente di aria". Dopo un viaggio affascinante sia per EOS che per justairtech, è stato stabilito che una soluzione è effettivamente possibile. Il risultato è uno scambiatore di calore altamente efficiente che consente un design rivoluzionario del refrigeratore che richiede solo un terzo dell'energia elettrica precedentemente necessaria.
Cosa c'è di nuovo nel concetto justairtech?
"Un'unica pista veloce è meglio di più stazioni di interscambio".
L'aria in una stanza viene condizionata aspirandola in uno scambiatore di calore, dove viene raffreddata. Vi è poi un circuito ad acqua e un altro circuito con un fluido come gli idrocarburi fluorurati. Questi circuiti devono essere azionati da pompe e il sistema richiede anche ventilatori e componenti aggiuntivi, che consumano elettricità. Sedlak utilizza un esempio descrittivo per spiegare la sua idea alternativa di raffreddare l'aria con l'aria: "Un tempo, se si voleva andare da Monaco a Berlino in treno, bisognava cambiare in diverse stazioni. Questo non solo richiedeva molto tempo, ma era anche piuttosto fastidioso. Ma se si riesce a evitare tutti questi cambi prendendo un percorso veloce, il viaggio sarà notevolmente più veloce e più piacevole". Questo è il principio di base del suo prodotto: Sedlak elimina tutti gli elementi intermedi non necessari, dando vita a uno scambiatore di calore aria-aria fractal1 che, rispetto ai modelli convenzionali, consente di progettare un nuovo refrigeratore e una pompa di calore che consumano solo un quinto dell'elettricità. Fin qui tutto bene. Uno dei motivi per cui questa soluzione non esisteva finora è che semplicemente non poteva essere prodotta.
1Frattale è un termine che indica determinate forme naturali o artificiali o modelli geometrici (la dicitura inglese corrisponde al testo originale tedesco). Fonte: Wikipedia, 24.07.2023
Sfida accettata:
Superficie massima, spessore minimo delle pareti e altro ancora
Holger Sedlak ha portato la sua idea all'EOS nel maggio 2022, insieme alla struttura chiave del suo scambiatore di calore. Philipp Komurka dell'EOS Team Additive Minds ha discusso l'idea con i suoi colleghi, anche se inizialmente ritenevano altamente improbabile il successo della sua realizzazione. Il principale ostacolo alla sua realizzazione era lo spessore estremamente ridotto delle pareti, pari a circa 150 micrometri, insieme a una superficie molto ampia e a circa 330.000 canali con un diametro di soli 0,5 millimetri. Sebbene la stampa EOS DMLS-3D sia concepita per strutture molto complesse, il processo laser richiede il trasferimento di energia. Ciò significa che il materiale deve fondere per formare uno strato, ma per rispettare le specifiche di progettazione estremamente rigorose del componente e non bloccare i canali, è soggetto a vincoli di altezza. Un altro requisito era l'utilizzo del materiale 316L, ovvero l'acciaio inossidabile. Anche se altri materiali sarebbero stati più facili da lavorare, la loro conducibilità sarebbe stata troppo elevata, compromettendo il funzionamento dello scambiatore di calore.
"Nella mia vita sono riuscito a realizzare molte cose impossibili, ma ho sempre lavorato insieme a dei partner. Ciò che serve è un pensiero sistemico e un percorso comune con altre persone per capire dove potrebbero essere necessari degli aggiustamenti sia nella progettazione che nella tecnologia di produzione. Per me era chiaro che il mio prodotto poteva essere realizzato solo con la stampa 3D in metallo e EOS non solo si è assunta parte del rischio, ma si è impegnata a fondo per raggiungere insieme l'obiettivo."
Holger Sedlak, CTO di justairtech
Il percorso verso l'obiettivo
Processo e progettazione, depowdering e cold building
Due membri del team di progetto si sono riuniti con Philipp Komurka per lavorare per rendere possibile l'impossibile. Hanno iniziato modificando i parametri e i processi e adattando ciascuno di essi ai requisiti dello scambiatore di calore justairtech. Il team è riuscito a configurare variabili quali la potenza del laser, la velocità e gli intervalli di temperatura in modo tale da consentire la costruzione di una struttura di questo tipo. Nell'estate del 2022, il primo test ha avuto successo, ma ha richiesto un tempo di costruzione molto lungo, pari a 110 ore. Proiettati sul componente nel suo complesso, i costi unitari sarebbero stati troppo elevati per un funzionamento economicamente fattibile.
Il compito successivo è stato quindi quello di ridurre il tempo di costruzione a circa 20 ore, come previsto inizialmente da Holger Sedlak. Ciò significava ridurre il tempo di costruzione fino all'80%. Un passo avanti per raggiungere questo obiettivo è stato quello di ridurre il volume dei dati di costruzione, in quanto gli innumerevoli vettori originari hanno dato luogo a un file di progettazione molto grande, che a sua volta ha comportato un tempo di elaborazione successivo eccessivamente lungo. Il progetto è stato ottimizzato in stretta collaborazione tra EOS e justairtech e il volume dei dati è stato notevolmente ridotto. La seconda fase comprendeva il depowdering, poiché nel primo tentativo di costruzione la struttura finita conteneva circa 30 chilogrammi di polvere sciolta, rimasta impigliata nei minuscoli canali. Komurka spiega: "All'inizio, oltre a usare il sistema di depowdering, abbiamo dovuto battere i canali a mano con un piccolo martello, perché non avevamo aspettato abbastanza. Infine, ci siamo resi conto che il componente aveva semplicemente bisogno di un tempo di depowdering più lungo". Nell'autunno del 2022, dopo molte fasi di ottimizzazione, il tempo di costruzione aveva raggiunto le 60 ore, corrispondenti a una riduzione di quasi il 50%. Per rendere il processo ancora più veloce, il componente è stato costruito a freddo sul sitoEOS M 400 - normalmente lo spazio di costruzione è riscaldato, in quanto ciò rende il materiale più facile da lavorare. Alla fine, l'utilizzo della costruzione a freddo ha permesso di ridurre notevolmente il tempo di raffreddamento.
Missione più che compiuta: e adesso?
"Al momento abbiamo un tempo di costruzione di 10-12 ore, con il depowdering che richiede circa 4 ore - questo ci porta a un tempo di costruzione di circa 16 ore per completare il componente centrale del nuovo scambiatore di calore, per non parlare del prezzo unitario significativamente più basso", dice Komurka con soddisfazione. Il primo refrigeratore completo sarà utilizzato come prototipo in un'applicazione industriale nella primavera del 2024; tuttavia, poiché il componente è scalabile, può anche essere realizzato più grande o più piccolo dei prototipi.
Finora il processo di costruzione si è svolto presso EOS. Tuttavia, l'idea è che justairtech funga da think tank, in quanto non intende creare un proprio impianto di produzione in futuro. MT Aerospace , partner di EOS per la produzione end-to-end, si unisce a questo progetto per costruire il componente in serie. Come osserva Sedlak: "Il nostro sistema è cinque volte più efficiente dei sistemi convenzionali e consente di risparmiare energia,CO2 e costi operativi; inoltre, grazie alla sua struttura compatta, può essere installato ovunque". Anche se stiamo iniziando con le applicazioni industriali, abbiamo intenzione di passare ai consumatori finali, poiché il prodotto è adatto a riscaldare e raffreddare qualsiasi tipo di edificio", afferma Sedlak, illustrando la sua visione. Non ci resta che vedere dove andrà a finire e continueremo ad accompagnare il nostro cliente in questo progetto anche in futuro. Restate quindi sintonizzati.
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