I Tubi di CaloreI Tubi di CalorePrincipio di funzionamentoApplicazioniOrdine degli Ingegneri della Provincia di TorinoComm...
Principio di funzionamento• Un Tubo di Calore (Heat Pipe = HP)trasferisce rilevanti quantità di calorefra punti anche dist...
• TermosifoneSe il tubo è installato colcondensatore in posizione più altadell’evaporatore, la condensa, pereffetto della ...
Pressione CapillareMateriale del tuboPressione capillare• Il massimo incremento di pressionecapillare sviluppato dal wick ...
Il fluido di lavoroIl materiale del wickFluidoRangeoperativo[°C]Elio -271 -269Azoto -203 -160Ammoniaca -60 100Pentano -20 ...
Limiti operativi degli HP• Il campo operativo degli Heat Pipes è limitatodai seguenti fenomeni:– Capillarità;– Viscosità (...
Vantaggi degli HPGli Heat Pipe– non hanno parti meccaniche in movimento– non richiedono alcuna manutenzione– hanno general...
Un’evoluzione dei tradizionali HP:i Loop Heat Pipe• La configurazione a ciclo comunemente chiamataLoop Heat Pipe (LHP) è c...
Cenni storici• Il principio generale di funzionamento degli Heat Pipe basati sull’effetto dellagravità (tipo termosifone) ...
ApplicazioniLa tecnologia degli Heat Pipe ha avuto un numero di applicazioni nei campi piùdisparati, tuttora in continua c...
Applicazioni realizzate• Loop Heat Pipe per il raffreddamento delleCPU dei laptopNegli ultimi venti anni, la grande diffus...
• Heat Pipe come sistema di condizionamento di tunnelNelle linee della Metropolitana di Londra gli Heat Pipe sono utilizza...
• Stabilizzazione del PermafrostLe fondazioni di grande strutture basate sulpermafrost possono incontrare grandicriticità ...
Applicazioni realizzate• Solare termicoGli Heat Pipe vengono utilizzati per trasferirecalore dal collettore solare all’acq...
• Heat Pipe per l’antighiaccio ed ilriscaldamento di strade e pontiIn figura è riportato un esempio diapplicazione degli H...
Applicazioni in fase di studio• Raffreddamento delle pale rotorichee dei dischi delle turbineNelle pale rotoriche e nei di...
Applicazioni in fase di studio• Raffreddamento delle palestatoriche delle turbineL’impiego dell’Heat Pipe può esserevantag...
Applicazioni in fase di studio• Loop Heat Pipe per lo smaltimentodel calore generato dalle fuel cellLa soluzione è di gran...
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I tubi di calore - Achille Mannini

  1. 1. I Tubi di CaloreI Tubi di CalorePrincipio di funzionamentoApplicazioniOrdine degli Ingegneri della Provincia di TorinoCommissione Ingegneri per l’InnovazioneAchille Mannini22/11/2012
  2. 2. Principio di funzionamento• Un Tubo di Calore (Heat Pipe = HP)trasferisce rilevanti quantità di calorefra punti anche distanti fra loro conpiccole differenze di temperatura.• La conducibilità termica della heatpipe raggiunge un valore di circa 100volte superiore a quella del rameevaporatorecondensatoreLiquidoStruttura Wickvaporecondensazione sez. adiabatica evaporazioneSezione di evaporazione: si havolte superiore a quella del rame(400 W/m/K) con una inerzia termica6 volte inferiore rispetto a quella delrame.• Nella sua configurazione piùsemplice, l’Heat Pipe consiste in untubo metallico. Dopo avervi praticatoil vuoto, vi si introduce un liquido dilavoro e viene infine sigillato alleestremità.Sezione di evaporazione: si hal’evaporazione del liquido con sottrazionedi calore.Sezione adiabatica: il vapore migra versola parte meno calda sotto l’effetto deldislivello di pressione.Sezione di condensazione: nell’estremitàmeno calda del tubo (condensatore) ilvapore condensa, cedendo il caloreall’esterno.2A. Mannini I Tubi di Calore
  3. 3. • TermosifoneSe il tubo è installato colcondensatore in posizione più altadell’evaporatore, la condensa, pereffetto della gravità, ritornaall’evaporatore e qui, rievaporando,ripete il ciclo .Circolazione del fluido:termosifone o capillaritàSchema di HPTermosifone Schema di HPcon wickripete il ciclo .• CapillaritàSe il condensatore è a livello pari oinferiore rispetto all’evaporatore, illiquido viene trasferito grazieall’effetto capillare esercitato da unostrato di materiale poroso (wick) chericopre la superficie interna del tubo.Questo garantisce la circolazione delfluido anche in assenza di gravità3A. Mannini I Tubi di CaloreParticolare del wickAlcuni tipi di wickSinterizzato Grooved
  4. 4. Pressione CapillareMateriale del tuboPressione capillare• Il massimo incremento di pressionecapillare sviluppato dal wick é dato da:dove:σ tensione superficiale del fluido diRPcapillareθσ cos2 ⋅⋅=∆θθσ tensione superficiale del fluido dilavoroR raggio medio dei pori del wickθ angolo di contatto fra il liquido ed ilwick.• Al crescere della quantità di caloreimmessa nell’evaporatore, cresconoanche la portata del fluido e la caduta dipressione nel circuito del tubo di calore.4A. Mannini I Tubi di CaloreθMateriale del tubo• Abitualmente il materiale è rame,alluminio o acciaio inossidabile.Liquido che bagna Liquido che non bagna
  5. 5. Il fluido di lavoroIl materiale del wickFluidoRangeoperativo[°C]Elio -271 -269Azoto -203 -160Ammoniaca -60 100Pentano -20 120• Fluido di lavoroIl fluido di lavoro viene scelto inbase al livello operativo dellatemperatura ed alla compatibilitàcol materiale del tubo di calore.MaterialedelwickRaggiopori[mm]FM1006 0,04FM1205 0,08Nickel polvere200 µ0,38A. Mannini I Tubi di Calore 5Pentano -20 120Acetone 0 120Metanolo 10 130Etanolo 0 130Eptano 0 150Acqua 30 200Mercurio 250 650Potassio 500 1000Sodio 600 1200Litio 1000 1800Argento 1800 2300col materiale del tubo di calore.• Materiale del wickIl wick può essere di tipo metallicoo sintetico ed è scelto per la suacompatibilità con le altre parti eper la capacità di esercitare unapressione capillare sul fluido incondizioni contrarie alla gravità.200 µNickel polvere400 µ0,04Nickel fibra 0,01Nickel feltro 0,17Nickel schiuma 0,23Rame polvere 0,009Rame schiuma 0,21Fosforo/bronzo 0,021Titanio 0,015
  6. 6. Limiti operativi degli HP• Il campo operativo degli Heat Pipes è limitatodai seguenti fenomeni:– Capillarità;– Viscosità (e Pressione di Vapore);– Sonicità;– Entrainment;– Ebollizione.• La somma di tutte le perdite di pressione delfluido deve essere sempre inferiore al ∆Pcapillaremax. In caso contrario il wick si secca e lemax. In caso contrario il wick si secca e leprestazioni del dispositivo si riduconosensibilmente.• Alle basse temperature la pressione di vaporedel fluido nell’evaporatore è modesta e puònon essere sufficiente a contrastare i contributiviscosi e gravitazionali, impedendo l’avvio deldispositivo.• A velocità del fluido elevate (generalmentesuperiori a Mach=0,3) le perdite di pressionenella linea di vapore devono essere calcolatetenendo conto della comprimibilità del fluido.A. Mannini I Tubi di Calore 6• L’Entrainment è il disturbo con cui ad altavelocità la linea di vapore agisce su quella delliquido (di direzione opposta) intralciandone ilflusso e provocando un deciso decadimentodelle prestazioni.• Laddove venga superato il limite di ebollizione,il dispositivo si ritrova ad operare con tutto ilfluido in fase vapore, avendo perduto i vantaggiconnessi al cambiamento di fase; le prestazioniHP, superato il punto di ebollizione, calanodrasticamente.
  7. 7. Vantaggi degli HPGli 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 chesostituiscono (costituiti da pompe, scambiatori di calore, sensori,ventilatori, accumulatori etc…).A. Mannini I Tubi di Calore 7
  8. 8. Un’evoluzione dei tradizionali HP:i Loop Heat Pipe• La configurazione a ciclo comunemente chiamataLoop Heat Pipe (LHP) è caratterizzata da prestazionisuperiori a quelle dei tradizionali Heat Pipe.• I Loop Heat Pipe possiedono un evaporatore ed uncondensatore collegati da due tubazioni: una lineavapore ed una linea liquido. Uno strato di wick èpresente solo nell’evaporatore.• La figura in alto rappresenta lo schema funzionale diun tipico Loop Heat Pipe con evaporatore di formaevaporatore sorgente di calorelinea rimozionevapore (grooves)wickcamera dicompensazionelinea liquidocondensatorelinea vaporepozzo di caloreLHP con evaporatore cilindricoun tipico Loop Heat Pipe con evaporatore di formacilindrica. In basso è rappresentato lo schema di unLoop Heat Pipe con evaporatore di forma piatta.• Le caratteristiche principali dei Loop Heat Pipe, chesuperano 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 componentida raffreddare.8A. Mannini I Tubi di CaloreLHP con evaporatore cilindricoLHP con evaporatore piatto
  9. 9. Cenni storici• Il principio generale di funzionamento degli Heat Pipe basati sull’effetto dellagravità (tipo termosifone) risale alla prima metà del XIX secolo.• Il primo prototipo di Heat Pipe con effetto capillarità fu brevettato da R.S. Gauglerdella General Motors nel 1942. L’applicazione di tale dispositivo era legata ad unsistema di raffreddamento.• Nel 1963 George Grover studiò e dimostrò presso il Los Alamos NationalLaboratory 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 distabilire un equilibrio termico dei trasponder di un satellite. In tal caso gli Heatpipe consentirono l’equalizzazione delle temperature fra la faccia del satelliteesposta al sole, caratterizzata da temperature altissime, e quella rivolta verso lospazio a temperature estremamente basse; se non si interviene per ridurredrasticamente la differenza di temperatura, si hanno gravi problemi di affidabilitàed accuratezza degli strumenti. In quell’occasione furono realizzati per la primavolta degli Heat Pipe a capacità variabile per il controllo attivo dei flussi di calore.9A. Mannini I Tubi di Calore
  10. 10. ApplicazioniLa tecnologia degli Heat Pipe ha avuto un numero di applicazioni nei campi piùdisparati, tuttora in continua crescita.Nonostante il principio di funzionamento degli HP sia ben noto da tempo, come giàdetto, nuove soluzioni ed applicazioni sono oggetto di innovazione in molti campi.Alcune applicazioni:• raffreddamento dell’elettronica dei computer lap top• raffreddamento dellelettronica di potenza• raffreddamento dellelettronica di potenza• essiccatori, umidificatori• raffreddamento stampi• controllo termico dei satelliti• controllo termico delle fuel cell• materiali tessili avanzati• controllo termico dei LEDA. Mannini I Tubi di Calore 10
  11. 11. Applicazioni realizzate• Loop Heat Pipe per il raffreddamento delleCPU dei laptopNegli ultimi venti anni, la grande diffusionedi laptop e computer portatili in genere, hacomportato un grande sviluppo nell’adozionedei LHP. Attualmente sono in commercio LHPcon capacità dissipative di 70 – 100 W.11A. Mannini I Tubi di Calore• Loop Heat Pipe e Vapor Chamberper il raffreddamento di scatoleelettronicheLa particolare geometriadell’evaporatore del LHP consenteun ottimo accoppiamento con lascatola elettronica.Se necessario, lo scambio termiconel condensatore può essereaccresciuto mediante alettatura.
  12. 12. • Heat Pipe come sistema di condizionamento di tunnelNelle linee della Metropolitana di Londra gli Heat Pipe sono utilizzati come veicolo ditrasferimento del calore generato all’interno di tunnel verso il sottosuolo utilizzato comepozzo di calore.• Heat Pipe in reattori nucleari e depositi di scorieLa 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 inquesta applicazione.Applicazioni realizzateA. Mannini I Tubi di Calore 12questa applicazione.• Heat Pipe in impianti chimiciLa capacità degli Heat Pipe di mantenere una temperatura costante viene utilizzata inimpianti chimici che necessitano di una accurata regolazione termica al fine di produrrereazioni chimiche controllate. L’adozione di Heat Pipe a conduttanza variabile permette diottenere un controllo non solo su un unico valore (temperatura di cambiamento di fasedel liquido impiegato), ma su una curva di funzionamento.
  13. 13. • Stabilizzazione del PermafrostLe fondazioni di grande strutture basate sulpermafrost possono incontrare grandicriticità allorché si verificano riscaldamentianche sporadici del terreno che portano alloscioglimento del permafrost.Nella Trans-Alaska Pipeline, il caloregenerato dall’attrito e dalla turbolenza delpetrolio che scorre nella tubazione puòessere condotto al suolo tramite i supportiApplicazioni realizzateessere condotto al suolo tramite i supportimetallici e può generare la fusione delpermafrost con sprofondamento dellasezione di pipeline interessata.Per evitare questo problema, incorrispondenza dei supporti sono statipiantati nel permafrost dei tubi di caloreche dissipano nell’aria il calore chealtrimenti si accumulerebbe nel terrenoghiacciato.Tubi di calore sono utilizzati anche perdissipare il calore diffuso nel permafrostdalle rotaie del Qinghai-Tibet Railway chelo assorbono dal sole.A. Mannini I Tubi di Calore 13
  14. 14. Applicazioni realizzate• Solare termicoGli Heat Pipe vengono utilizzati per trasferirecalore dal collettore solare all’acqua. I tubisono di rame ed il fluido utilizzato è acqua.In questi impianti si raggiungono rendimentisuperiori del 40% rispetto ai tradizionalipannelli piatti. Questo incremento èpiuttosto modesto ed é il risultqto di fattoripiuttosto modesto ed é il risultqto di fattoripositivi e negativi:• migliore isolamento termico con riduzionedelle perdite convettive e conduttivegrazie alla presenza del vuoto nei tubi;• minore assorbimento di energia solarepoiché la superficie di un insieme di tubitondi effettivamente esposta al sole éminore della superficie piatta di paridimensioni d’ingombro totale.A. Mannini I Tubi di Calore 14
  15. 15. • Heat Pipe per l’antighiaccio ed ilriscaldamento di strade e pontiIn figura è riportato un esempio diapplicazione degli HP per il riscaldamentodel ponte sul fiume Buffalo in Virginia(USA). Il calore è generato da una caldaia etrasportato mediante tubazioni in cuiscorre acqua/glicole all’evaporatore di unsistema HP. I tubi condensatore di questosistema distribuiscono infine il calore sottoApplicazioni realizzateA. Mannini I Tubi di Calore 15sistema distribuiscono infine il calore sottoil manto stradale del ponte.L’impianto è costituito da 241 heat pipe“gravity assisted” lunghi 12 m e condiametro interno di 13 mm.Dopo aver provato diversi fluidi, il sistemaè stato ottimizzato con l’ammoniaca cheha consentito una portata di calore di 2,5kW per ogni tubo.L’impianto è stato realizzato alla fine deglianni ‘90.
  16. 16. Applicazioni in fase di studio• Raffreddamento delle pale rotorichee dei dischi delle turbineNelle pale rotoriche e nei dischi si ha ilvantaggio dell’assenza del wick poiché lasorgente di calore è localizzata nel flusso digas che investe la pala, mentre il pozzo dicalore è in prossimità del centro del disco. Inqueste condizioni il flusso evaporaraffreddando la pala e migra verso il centrodel disco sotto l’effetto della pressione del Disco turbinadel disco sotto l’effetto della pressione delvapore. Una volta condensato, la forzacentrifuga spinge nuovamente in alto, versola pala, il liquido ed il loop continua.L’impiego dell’Heat Pipe può esserevantaggioso anche nelle pale statoriche, main questo caso la circolazione deve esseregarantita da un materiale capillareopportunamente disposto lungo le paretiinterne del canale.A. Mannini I Tubi di Calore 16Disco turbinaPala rotore turbina
  17. 17. Applicazioni in fase di studio• Raffreddamento delle palestatoriche delle turbineL’impiego dell’Heat Pipe può esserevantaggioso anche nelle pale statoriche, main questo caso la circolazione deve esseregarantita da un materiale capillareopportunamente disposto lungo le paretiinterne del canale.interne del canale.A. Mannini I Tubi di Calore 17
  18. 18. Applicazioni in fase di studio• Loop Heat Pipe per lo smaltimentodel calore generato dalle fuel cellLa soluzione è di grande interesse sia nelleapplicazioni aerospaziali che in quellecommerciali. Studi teorici e sperimentali avario livello sono in corso presso la NASA evari centri di ricerca internazionali.Serbatoi carburante utilizzati come pozzi di caloreN.4 evaporatori (2+2) a contatto con le superfici inferioree superiore della fuel cellvari centri di ricerca internazionali.Recentemente anche la Regione Piemonteha finanziato uno studio di fattibilità per ilraffreddamento di fuel cell istallate su unvelivolo (vedi figura).A. Mannini I Tubi di Calore 18Serbatoi carburante utilizzati come pozzi di calore
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