I tubi di calore - Achille Mannini

I Tubi di CaloreI Tubi di CalorePrincipio di funzionamento

Applicazioni

Ordine degli Ingegneri della Provincia di Torino

Commissione Ingegneri per l’Innovazione

Achille Mannini

22/11/2012

Principio di funzionamento

• Un Tubo di Calore (Heat Pipe = HP) trasferisce rilevanti quantità di calore fra punti anche distanti fra loro con piccole differenze di temperatura.

• La conducibilità termica della heatpipe raggiunge un valore di circa 100 volte superiore a quella del rame

evaporatore

condensatoreLiquido

Struttura Wick

vapore

condensazione sez. adiabatica evaporazione

Sezione di evaporazione: si ha volte superiore a quella del rame (400 W/m/K) con una inerzia termica 6 volte inferiore rispetto a quella del rame.

• Nella sua configurazione più semplice, l’Heat Pipe consiste in un tubo metallico. Dopo avervi praticato il vuoto, vi si introduce un liquido di lavoro e viene infine sigillato alle estremità.

Sezione di evaporazione: si ha

l’evaporazione del liquido con sottrazione

di calore.

Sezione adiabatica: il vapore migra verso

la parte meno calda sotto l’effetto del

dislivello di pressione.

Sezione di condensazione: nell’estremità

meno calda del tubo (condensatore) il

vapore condensa, cedendo il calore

all’esterno.

2A. Mannini I Tubi di Calore

• Termosifone

Se il tubo è installato col

condensatore in posizione più alta

dell’evaporatore, la condensa, per

effetto della gravità, ritorna

all’evaporatore e qui, rievaporando,

ripete il ciclo .

Circolazione del fluido:

termosifone o capillarità

Schema di HP

Termosifone Schema di HP

con wick

ripete il ciclo .

• Capillarità

Se il condensatore è a livello pari o

inferiore rispetto all’evaporatore, il

liquido viene trasferito grazie

all’effetto capillare esercitato da uno

strato di materiale poroso (wick) che

ricopre la superficie interna del tubo.

Questo garantisce la circolazione del

fluido anche in assenza di gravità


Particolare del wick

Alcuni tipi di wick

Sinterizzato Grooved

Pressione Capillare

Materiale del tubo

Pressione capillare

• Il massimo incremento di pressione

capillare sviluppato dal wick é dato da:

dove:

σ tensione superficiale del fluido di

RPcapillare

θσ cos2 ⋅⋅=∆

θ

θ

σ tensione superficiale del fluido di

lavoro

R raggio medio dei pori del wick

θ angolo di contatto fra il liquido ed il

wick.

• Al crescere della quantità di calore

immessa nell’evaporatore, crescono

anche la portata del fluido e la caduta di

pressione nel circuito del tubo di calore.


θ

Materiale del tubo

• Abitualmente il materiale è rame,

alluminio o acciaio inossidabile.

Liquido che bagna Liquido che non bagna

Il fluido di lavoro

Il materiale del wick

FluidoRange

operativo

[°C]Elio -271 -269

Azoto -203 -160

Ammoniaca -60 100

Pentano -20 120

• Fluido di lavoro

Il fluido di lavoro viene scelto in base al livello operativo della temperatura ed alla compatibilità col materiale del tubo di calore.

Materiale del

wick

Raggiopori[mm]

FM1006 0,04

FM1205 0,08

Nickel polvere 200 µ

0,38

A. Mannini I Tubi di Calore 5

Pentano -20 120

Acetone 0 120

Metanolo 10 130

Etanolo 0 130

Eptano 0 150

Acqua 30 200

Mercurio 250 650

Potassio 500 1000

Sodio 600 1200

Litio 1000 1800

Argento 1800 2300

col materiale del tubo di calore.

• Materiale del wick

Il wick può essere di tipo metallico o sintetico ed è scelto per la sua compatibilità con le altre parti e per la capacità di esercitare una pressione capillare sul fluido in condizioni contrarie alla gravità.

200 µ

Nickel polvere 400 µ

0,04

Nickel fibra 0,01

Nickel feltro 0,17

Nickel schiuma 0,23

Rame polvere 0,009

Rame schiuma 0,21

Fosforo/bronzo 0,021

Titanio 0,015

Limiti operativi degli HP

• Il campo operativo degli Heat Pipes è limitato

dai seguenti fenomeni:

– Capillarità;

– Viscosità (e Pressione di Vapore);

– Sonicità;

– Entrainment;

– Ebollizione.

• La somma di tutte le perdite di pressione del

fluido deve essere sempre inferiore al ∆Pcapillaremax. In caso contrario il wick si secca e le max. In caso contrario il wick si secca e le

prestazioni del dispositivo si riducono

sensibilmente.

• Alle basse temperature la pressione di vapore

del fluido nell’evaporatore è modesta e può

non essere sufficiente a contrastare i contributi

viscosi e gravitazionali, impedendo l’avvio del

dispositivo.

• A velocità del fluido elevate (generalmente

superiori a Mach=0,3) le perdite di pressione

nella linea di vapore devono essere calcolate

tenendo conto della comprimibilità del fluido.


• L’Entrainment è il disturbo con cui ad alta

velocità la linea di vapore agisce su quella del

liquido (di direzione opposta) intralciandone il

flusso e provocando un deciso decadimento

delle prestazioni.

• Laddove venga superato il limite di ebollizione,

il dispositivo si ritrova ad operare con tutto il

fluido in fase vapore, avendo perduto i vantaggi

connessi al cambiamento di fase; le prestazioni

HP, superato il punto di ebollizione, calano

drasticamente.

Vantaggi degli HP

Gli Heat Pipe

– non hanno parti meccaniche in movimento

– non richiedono alcuna manutenzione

– hanno generalmente peso inferiore rispetto ai sistemi termici che– hanno generalmente peso inferiore rispetto ai sistemi termici che

sostituiscono (costituiti da pompe, scambiatori di calore, sensori,

ventilatori, accumulatori etc…).


Un’evoluzione dei tradizionali HP:

i Loop Heat Pipe

• La configurazione a ciclo comunemente chiamata

Loop Heat Pipe (LHP) è caratterizzata da prestazioni

superiori a quelle dei tradizionali Heat Pipe.

• I Loop Heat Pipe possiedono un evaporatore ed un

condensatore collegati da due tubazioni: una linea

vapore ed una linea liquido. Uno strato di wick è

presente solo nell’evaporatore.

• La figura in alto rappresenta lo schema funzionale di

un tipico Loop Heat Pipe con evaporatore di forma

evaporatore sorgente di calore

linea rimozionevapore (grooves)

wickcamera di

compensazione

linea liquido

condensatore

linea vapore

pozzo di calore

LHP con evaporatore cilindricoun tipico Loop Heat Pipe con evaporatore di forma

cilindrica. In basso è rappresentato lo schema di un

Loop Heat Pipe con evaporatore di forma piatta.

• Le caratteristiche principali dei Loop Heat Pipe, che

superano alcuni limiti degli Heat Pipes tradizionali,

sono:

o possibilità di trasferire calore a distanze maggiori;

o eliminazione del fenomeno dell’entrainment;

o ottima adattabilità alla geometria dei componenti

da raffreddare.


LHP con evaporatore cilindrico

LHP con evaporatore piatto

Cenni storici

• Il principio generale di funzionamento degli Heat Pipe basati sull’effetto della

gravità (tipo termosifone) risale alla prima metà del XIX secolo.

• Il primo prototipo di Heat Pipe con effetto capillarità fu brevettato da R.S. Gaugler

della General Motors nel 1942. L’applicazione di tale dispositivo era legata ad un

sistema di raffreddamento.

• Nel 1963 George Grover studiò e dimostrò presso il Los Alamos National

Laboratory I benefici derivanti dall’impiego della capillarità.

• La prima applicazione degli Heat Pipe in un programma spaziale ebbe lo scopo di• La prima applicazione degli Heat Pipe in un programma spaziale ebbe lo scopo di

stabilire un equilibrio termico dei trasponder di un satellite. In tal caso gli Heat

pipe consentirono l’equalizzazione delle temperature fra la faccia del satellite

esposta al sole, caratterizzata da temperature altissime, e quella rivolta verso lo

spazio a temperature estremamente basse; se non si interviene per ridurre

drasticamente la differenza di temperatura, si hanno gravi problemi di affidabilità

ed accuratezza degli strumenti. In quell’occasione furono realizzati per la prima

volta degli Heat Pipe a capacità variabile per il controllo attivo dei flussi di calore.


Applicazioni

La tecnologia degli Heat Pipe ha avuto un numero di applicazioni nei campi più

disparati, tuttora in continua crescita.

Nonostante il principio di funzionamento degli HP sia ben noto da tempo, come già

detto, nuove soluzioni ed applicazioni sono oggetto di innovazione in molti campi.

Alcune applicazioni:

• raffreddamento dell’elettronica dei computer lap top

• raffreddamento dell'elettronica di potenza• raffreddamento dell'elettronica di potenza

• essiccatori, umidificatori

• raffreddamento stampi

• controllo termico dei satelliti

• controllo termico delle fuel cell

• materiali tessili avanzati

• controllo termico dei LED


Applicazioni realizzate

• Loop Heat Pipe per il raffreddamento delle

CPU dei laptop

Negli ultimi venti anni, la grande diffusione

di laptop e computer portatili in genere, ha

comportato un grande sviluppo nell’adozione

dei LHP. Attualmente sono in commercio LHP

con capacità dissipative di 70 – 100 W.


• Loop Heat Pipe e Vapor Chamber

per il raffreddamento di scatole

elettroniche

La particolare geometria dell’evaporatore del LHP consente un ottimo accoppiamento con la scatola elettronica.

Se necessario, lo scambio termico nel condensatore può essere accresciuto mediante alettatura.

• Heat Pipe come sistema di condizionamento di tunnel

Nelle linee della Metropolitana di Londra gli Heat Pipe sono utilizzati come veicolo di

trasferimento del calore generato all’interno di tunnel verso il sottosuolo utilizzato come

pozzo di calore.

• Heat Pipe in reattori nucleari e depositi di scorie

La presenza di isotopi radioattivi in decadimento può generare consistenti flussi di calore,

anche per lunghi periodi. L’impiego degli Heat Pipe si è dimostrato efficace anche in

questa applicazione.



questa applicazione.

• Heat Pipe in impianti chimici

La capacità degli Heat Pipe di mantenere una temperatura costante viene utilizzata in

impianti chimici che necessitano di una accurata regolazione termica al fine di produrre

reazioni chimiche controllate. L’adozione di Heat Pipe a conduttanza variabile permette di

ottenere un controllo non solo su un unico valore (temperatura di cambiamento di fase

del liquido impiegato), ma su una curva di funzionamento.

• Stabilizzazione del Permafrost

Le fondazioni di grande strutture basate sul permafrost possono incontrare grandi criticità allorché si verificano riscaldamenti anche sporadici del terreno che portano allo scioglimento del permafrost.

�Nella Trans-Alaska Pipeline, il calore generato dall’attrito e dalla turbolenza del petrolio che scorre nella tubazione può essere condotto al suolo tramite i supporti


essere condotto al suolo tramite i supporti metallici e può generare la fusione del permafrost con sprofondamento della sezione di pipeline interessata.

Per evitare questo problema, in corrispondenza dei supporti sono stati piantati nel permafrost dei tubi di calore che dissipano nell’aria il calore che altrimenti si accumulerebbe nel terreno ghiacciato.

�Tubi di calore sono utilizzati anche per dissipare il calore diffuso nel permafrost dalle rotaie del Qinghai-Tibet Railway che lo assorbono dal sole.



• Solare termico

Gli Heat Pipe vengono utilizzati per trasferire

calore dal collettore solare all’acqua. I tubi

sono di rame ed il fluido utilizzato è acqua.

In questi impianti si raggiungono rendimenti

superiori del 40% rispetto ai tradizionali

pannelli piatti. Questo incremento è

piuttosto modesto ed é il risultqto di fattoripiuttosto modesto ed é il risultqto di fattori

positivi e negativi:

• migliore isolamento termico con riduzione

delle perdite convettive e conduttive

grazie alla presenza del vuoto nei tubi;

• minore assorbimento di energia solare

poiché la superficie di un insieme di tubi

tondi effettivamente esposta al sole é

minore della superficie piatta di pari

dimensioni d’ingombro totale.


• Heat Pipe per l’antighiaccio ed il

riscaldamento di strade e ponti

In figura è riportato un esempio di

applicazione degli HP per il riscaldamento

del ponte sul fiume Buffalo in Virginia

(USA). Il calore è generato da una caldaia e

trasportato mediante tubazioni in cui

scorre acqua/glicole all’evaporatore di un

sistema HP. I tubi condensatore di questo

sistema distribuiscono infine il calore sotto



sistema distribuiscono infine il calore sotto

il manto stradale del ponte.

L’impianto è costituito da 241 heat pipe

“gravity assisted” lunghi 12 m e con

diametro interno di 13 mm.

Dopo aver provato diversi fluidi, il sistema

è stato ottimizzato con l’ammoniaca che

ha consentito una portata di calore di 2,5

kW per ogni tubo.

L’impianto è stato realizzato alla fine degli

anni ‘90.

Applicazioni in fase di studio

• Raffreddamento delle pale rotoriche e dei dischi delle turbineNelle pale rotoriche e nei dischi si ha il vantaggio dell’assenza del wick poiché la sorgente di calore è localizzata nel flusso di gas che investe la pala, mentre il pozzo di calore è in prossimità del centro del disco. In queste condizioni il flusso evapora raffreddando la pala e migra verso il centro del disco sotto l’effetto della pressione del Disco turbinadel disco sotto l’effetto della pressione del vapore. Una volta condensato, la forza centrifuga spinge nuovamente in alto, verso la pala, il liquido ed il loop continua. L’impiego dell’Heat Pipe può essere vantaggioso anche nelle pale statoriche, ma in questo caso la circolazione deve essere garantita da un materiale capillare opportunamente disposto lungo le pareti interne del canale.


Disco turbina

Pala rotore turbina


• Raffreddamento delle pale

statoriche delle turbine

L’impiego dell’Heat Pipe può essere

vantaggioso anche nelle pale statoriche, ma

in questo caso la circolazione deve essere

garantita da un materiale capillare

opportunamente disposto lungo le pareti

interne del canale.interne del canale.



• Loop Heat Pipe per lo smaltimento

del calore generato dalle fuel cell

La soluzione è di grande interesse sia nelle

applicazioni aerospaziali che in quelle

commerciali. Studi teorici e sperimentali a

vario livello sono in corso presso la NASA e

vari centri di ricerca internazionali. Serbatoi carburante utilizzati come pozzi di calore

N.4 evaporatori (2+2) a contatto con le superfici inferiore

e superiore della fuel cell

vari centri di ricerca internazionali.

Recentemente anche la Regione Piemonte

ha finanziato uno studio di fattibilità per il

raffreddamento di fuel cell istallate su un

velivolo (vedi figura).


Serbatoi carburante utilizzati come pozzi di calore

Technology

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