![\"unilab](\"https:\/\/www.unilab.eu\/wp-content\/uploads\/2017\/07\/unilab_heat_transfer_software_blog_heat_pipes_1.jpg\")
<\/a><\/p>\nFigura 1: Tubo di Perkins (sinistra) e scambiatore di calore a termosifone brevettato da F.W. Gay (destra).<\/em><\/p>\n Questi componenti, chiamati termosifoni, posero le basi per il successivo sviluppo di quelle che noi abitualmente chiamiamo Heat Pipes.<\/p>\n Figura 2: Confronto fra la configurazione a termosifone (sinistra) e quella della Heat Pipe (destra).<\/em><\/p>\n Per poter comprendere come lavora una Heat Pipe, \u00e8 utile descrivere qual\u2019 \u00e8 il principio di funzionamento di un termosifone; facendo riferimento alla Figura 2, in questo componente, una piccola quantit\u00e0 di acqua viene collocata in un tubo sigillato dopo aver eliminato tutta l\u2019aria contenuta. Se la parte inferiore del tubo \u00e8 riscaldata, il liquido evaporer\u00e0 e il vapore si muover\u00e0 verso la parte fredda dove verr\u00e0 condensato. Il liquido condensato ritorner\u00e0 all\u2019evaporatore per gravit\u00e0. L\u2019ovvio limite del funzionamento di un termosifone \u00e8 che, per permettere al condensato di ritornare, per gravit\u00e0, all\u2019evaporatore, quest\u2019ultimo deve essere necessariamente collocato nel punto pi\u00f9 basso, altrimenti il sistema non pu\u00f2 lavorare.<\/p>\n Con riferimento alla Figura 2 (destra), il concetto di termosifone \u00e8 stato superato da quello di Heat Pipe nella quale una struttura capillare, chiamata con il termine anglosassone wick, \u00e8 utilizzata per promuovere il deflusso del liquido dal condensatore all\u2019evaporatore, invece di fare affidamento alla sola gravit\u00e0 per assicurare il ritorno del liquido all\u2019evaporatore. Questo tipo di componente pu\u00f2 lavorare in qualsiasi orientamento e l\u2019evaporatore non deve essere necessariamente posto al di sotto del condensatore. L\u2019idea di utilizzare una struttura capillare come parte di un sistema bifase passivo capace di trasferire elevate quantit\u00e0 di calore con una piccolissima caduta di temperatura \u00e8 da attribuire a Gauler (1944). In una successiva pubblicazione, Groover et al. (1964) presentarono i risultati delle loro ricerche e utilizzarono per la prima volta il termine Heat Pipe per descrivere: \u201cun sistema ingegneristico sinergico che \u00e8 equivalente ad un materiale avente una conducibilit\u00e0 termica superiore a quella di ogni metallo conosciuto\u201d (\u201csynergetic engineering structure which is equivalent to a material having a thermal conductivity greatly exceeding that of any known metal\u201d).<\/p>\n Da quel momento, le Heat Pipes sono state impiegate in numerose applicazioni che spaziano dal controllo della temperatura dello strato di permafrost al di sotto dell\u2019Alaska pipeline al controllo termico delle superfici ottiche nelle navicelle spaziali, dal recupero di energia al raffreddamento di componenti elettronici, dal controllo termico di reattori nucleari al condizionamento dell\u2019aria e al recupero termico.<\/p>\n Dato che il funzionamento di una Heat Pipe si basa sull\u2019evaporazione e sulla condensazione del fluido operativo, la sua selezione \u00e8 un fattore importante nel suo dimensionamento. Molta attenzione deve essere dedicata al campo di temperature operative del fluido in modo che risulti compatibile con l\u2019applicazione stessa. La maggior parte delle applicazioni (controllo termico di componenti elettronici e altri sistemi) necessitano di fluidi operativi con temperature di ebollizione comprese fra 250 K e 375 K; ci sono per\u00f2 delle Heat Pipes che operano a temperature criogeniche (tra 5 K e 100 K) o Heat Pipes che utilizzano metalli liquidi come fluidi operativi (tra 750 K e 5000 K).<\/p>\n Lasciando la descrizione dei principi fondamentali di funzionamento delle Heat Pipes e dei loro limiti ad una newsletter dedicata, appare interessante evidenziare i pi\u00f9 importanti vantaggi offerti da questo tipo di sistema passivo di scambio termico.<\/p>\n Il primo vantaggio \u00e8, senza dubbio, rappresentato dal fatto che operando secondo un ciclo bifase chiuso, la capacit\u00e0 di trasferire calore delle Heat Pipes pu\u00f2 essere molti ordini di grandezza maggiore di quella del miglior conduttore solido. Secondariamente, l\u2019aumento del flusso termico all\u2019evaporatore comporta un incremento della quantit\u00e0 di liquido vaporizzato senza che vi sia un aumento della temperatura operativa. Quindi, le Heat Pipes possono funzionare come un componente quasi isotermo, facendo fronte alla variabilit\u00e0 del carico termico con una conseguente variazione della quantit\u00e0 di liquido vaporizzato mantenendo pressoch\u00e8 costante la temperatura della sorgente termica. Inoltre, le regioni dell\u2019Heat Pipe dedicate all\u2019evaporatore e al condensatore sono indipendenti; per questa ragione, l\u2019area dove viene asportato il calore pu\u00f2 avere dimensioni e forma differenti da quella dove lo stesso calore viene ceduto. Infine, ultimo ma non meno importante, il tempo di risposta di una Heat Pipe \u00e8 notevolmente inferiore a quello degli altri sistemi e non dipende dalla lunghezza.<\/p>\n Concludendo, le elevate caratteristiche di scambio termico, la capacit\u00e0 di mantenere costante la temperatura di evaporazione a differenti livelli di flusso termico e la diversit\u00e0 e indipendenza delle dimensioni dell\u2019evaporatore e del condensatore, fanno s\u00ec che le Heat Pipes siano impiegate in molteplici situazioni, anche estreme.<\/p>\n Una delle pi\u00f9 note applicazioni delle Heat Pipes \u00e8 quella che \u00e8 stata implementata in Alaska (Trans-Alaska Pipeline), dove questi componenti sono utilizzati per mantenere in condizioni stazionarie lo strato di permafrost attorno ai supporti verticali del condotto principale.<\/p>\n Figura 3: Differenti applicazioni delle Heat Pipes: raffreddamento di elettronica (sinistra) e ponte riscaldato con Heat Pipes in Virginia, USA (destra).<\/em><\/p>\n Oggigiorno, come mostrato in Figura 3 (sinistra) la pi\u00f9 comune applicazione delle Heat Pipes \u00e8 quella per il controllo termico dei componenti elettronici. Tuttavia, un\u2019inaspettata alternativa \u00e8 quella riportata in Figura 3 (destra); in questo caso, un sistema ibrido che coinvolge un unit\u00e0 di riscaldamento a glicole etilenico, fornisce il calore agli evaporatori di un sistema di Heat Pipes che attraversano il ponte riscaldandolo per prevenire la formazione di ghiaccio e permettere lo scioglimento della neve. Il sistema passivo installato nel ponte \u00e8 costituito da 241 Heat Pipes inclinate di lunghezza 12 m e diametro interno 13 mm. Sono stati testati differenti fluidi: R123, R134a, etanolo e ammoniaca.<\/p>\n La Figura 4 mostra altri tre esempi; partendo dal primo a sinistra, il disegno riporta il primo utilizzo delle Heat Pipes per il controllo termico di un satellite (GEOS-B), lanciato dalla base aerea di Vanderburd nel 1968. Lo scopo delle due Heat Pipes di alluminio era di minimizzare le differenze di temperatura tra i diversi transponders del satellite.<\/p>\n<\/a><\/p>\n<\/a><\/p>\n