Hao og Joe vil udvikle fremtidens varmevekslere

Af Sebastian Wittrock, sewitt@tek.sdu.dk, 30-03-2023

For nogen ligner det koraller. Andre kommer til at tænke på træer og buske. Og så er der også dem, som ser okkulte tegn og heavy metal-symbolik.

Når Joe Alexandersen viser sin forskning i fremtidens varmevekslere frem, fungerer det ifølge ham selv lidt som en rorschachtest. Folk ser alt muligt forskelligt i de mærkværdige, knudrede modeller, han har stående på sit kontor.

Joe Alexandersen er lektor i maskinteknik på Syddansk Universitet, og så arbejder han med at finde på nye og bedre måder at overføre varme på.

Inden længe får han og hans forskerhold selskab af kinesiske Hao Li. Også han er uddannet i maskinteknik, og lige nu er han ansat som postdoc på Kyoto Universitet, men har netop fået et af de eftertragtede Marie Curie Postdoc Fellowships fra EU, så til oktober begynder han i en postdoc-stilling på Institut for Elektronik og Mekanik på Det Tekniske Fakultet i Odense.

Og det glæder Joe Alexandersen.

- Marie Curie Fellowshops er enormt kompetititvt, så man skal virkelig være top notch-ansøger, hvis man vil gøre sig forhåbninger om at få et, siger lektoren.

- Men det er Hao også

Uundværlig teknologi

Varmevekslere er måske ikke den mest iøjnefaldende teknologi i vores samfund, men de er en fuldstændig uundværlig del af vores industrielle virkelighed. Deres opgave er kort sagt at lede varmen fra et sted til et andet, allerhelst et sted, hvor den kan gøre nytte, og med så lidt spild undervejs som muligt.

De sidder for eksempel i motorer til biler, fly og skibe. De bliver brugt til køling og opvarmning af bygninger og kan også anvendes til at lede overskudsvarme fra for eksempel datacentre over i fjernvarmenettet. I det hele taget bliver de brugt en del i energisektoren, blandt til jordvarme, solvarme og geotermi og på atomkraftværker. Og så er de nødvendige inden for en lang række industrier, ikke mindst fødevareproduktion og på kemiske fabrikker.

- Tidligere har jeg arbejdet meget med heat sinks, som er en slags varmevekslere, der fungerer ved, at man blæser luft på dem. De sidder blandt andet på bagsiden af chips i computere, fortæller Joe Alexandersen.

- Men det, Hao og jeg skal arbejde med bliver varmevekslere, hvor man overfører varmen fra en væske eller gas til en anden væske eller gas.

Computeren designer

Generelt gælder det ved varmevekslere om at lave nogle strukturer, hvor der er så meget overflade mellem den varme og den kolde strømning som muligt, fordi det øger varmeoverførslen, forklarer lektoren. Men det er en balance, for væsken, gassen eller luften skal også kunne komme rundt, så man må heller ikke overgøre det.

Og hvordan finder man så den balance?

På Joe Alexandersens forskerhold arbejder de med en metode, man kalder topologioptimering. Her lader man en computer beregne, hvordan det mest optimale design i en given sammenhæng ser ud, og ved hjælp af additiv fremstilling, altså en 3D-printer, kan man producere det. 

- Tit finder computeren på nogle komplekse og overraskende designs, som man formentlig aldrig selv var kommet på, men hvor man bagefter tænker: Ah ja, selvfølgelig, siger Joe Alexandersen.

Varmeveksling og Lego Duplo

Problemet er bare, at den slags beregninger kræver en enorm mængde regnekraft. Og det er dyrt.

- Med topologioptimering og additiv fremstilling kan man lave kompakte og specialdesignede varmevekslere til fremtidens motorer. Men teknologien er lige nu begrænset til den akademiske verden og har ikke fundet bred anvendelse i industrien på grund af de ekstreme udgifter til computerkraft, fortæller Hao Li.

De to forskere skal derfor finde på en smartere beregningsmåde, hvor man skruer lidt ned for detaljegraden, men uden at detaljerne går helt tabt.

- Du kan sammenligne det lidt med Lego. Lige nu bruger man en masse små Lego-klodser til de her designs, som computeren simulerer, og det gør arbejdet tungt. Men hvis man nu kunne erstatte de mange klodser med nogle større Duplo-klodser, som indeholdt alle de små klodser, ville det blive billigere, siger Joe Alexandersen.

Mere bæredygtigt

Man skal dog ikke forvente, at varmevekslere, der ligner koraller, træer, buske og heavy metal-logoer, bliver almindelige på markedet lige med det samme.

- Der er en grund til, at varmevekslere i dag ser ud, som de gør.  De er meget simple i deres design, fordi det er relativt billigt at producere, siger Joe Alexandersen.

- Hvis vores designs skal ud i industrien, kræver det nogle udviklinger inden for additiv fremstilling. Og i begyndelsen bliver det nok kun inden for områder, hvor det er meget vigtigt med en høj effektivitet, og hvor man gerne vil betale det, det koster, for lige at få det der ekstra.

Man kunne dog godt forestille sig, at de kan tage nogle af principperne fra deres computergenerede designs og bruge dem i billigere, masseproducerede varmevekslere.

- Man kan sagtens tage ved lære af det, vi får ud af computeren, og bruge det til noget, selv om man ikke fremstiller lige præcis den varmeveksler. For eksempel lavede vi på et tidspunkt en cylinderformet heat sink, hvor vi fandt ud af, at den virkede bedst, hvis der ikke var for meget materiale i midten. Det var nyt i forhold til de traditionelle designs og ville sagtens kunne overføres.

Forskerne er da heller ikke i tvivl om, at optimering af varmevekslere er særdeles vigtigt, ikke mindst i en tid med klima- og energikrise.

- Vores projekt er tæt forbundet med FN’s verdensmål nummer syv, som handler om billig og ren energi, og nummer tolv, som handler om ansvarligt forbrug og produktion, siger Hao Li.

- Kan man automatisere designet af varmevekslere, vil det både øge energieffektiviteten og reducere materialeforbruget i en lang række industrier såsom luftfart, biler og den tunge industri, som altså kan blive mere bæredygtige.