{"id":5692,"date":"2019-09-04T07:30:17","date_gmt":"2019-09-04T05:30:17","guid":{"rendered":"http:\/\/www.unilab.eu\/?p=5692"},"modified":"2019-07-29T16:39:04","modified_gmt":"2019-07-29T14:39:04","slug":"tubi-di-calore-pt-3","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.unilab.eu\/it\/articoli\/technical-articles-it\/termodinamica-ingegneria-it\/tubi-di-calore-pt-3\/","title":{"rendered":"Tubi di calore (Heat Pipes) \u2013 Parte III: Principi di funzionamento: i limiti di scambio termico"},"content":{"rendered":"

Questa newsletter \u00e8 la terza di una serie dedicata ai tubi di calore, segue quella riguardante il comportamento idraulico di questi componenti passivi: \u201cTubi di calore (Heat Pipes) \u2013 Parte II: Principi di funzionamento: la pressione capillare\u201d, dove si \u00e8 descritto il ruolo fondamentale giocato dalla struttura capillare nella performance del tubo di calore.<\/p>\n

Ancora una volta si riporta in Figura 1 uno schema di un tubo di calore dove sono evidenziate le regioni di evaporazione, condensazione e adiabatiche e le direzioni del liquido e del vapore.<\/p>\n

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Figura 1: Schema di un tubo di calore.<\/em><\/p>\n

La propriet\u00e0 che descrive la prestazione termica di un tubo di calore pu\u00f2 essere assunta simile a quella di un efficientissimo conduttore termico caratterizzata da una bassa resistenza termica:<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

dove R<\/em> \u00e8 la resistenza termica [k\/W], che tiene in considerazione tutte le resistenze termiche che si susseguono da un\u2019estremit\u00e0 all\u2019altra del tubo di calore. Le resistenze termiche pi\u00f9 importanti sono quelle associate al lato freddo e al lato caldo, alle pareti del tubo di calore e alla struttura capillare.<\/p>\n

In linea generale, se il flusso termico aumenta troppo, il tubo di calore pu\u00f2 entrare in crisi, l\u2019evaporatore si asciuga e il liquido non pu\u00f2 venir pompato indietro dal condensatore. Come mostrato in Figura 2, ci sono differenti limiti di scambio termico.<\/p>\n

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Figura 2: Limiti di scambio termico.<\/em><\/p>\n

La prima regola fondamentale \u00e8 quella di scegliere la temperatura di funzionamento tra le temperature di congelamento Tfreeze<\/sub> e critica Tcrit<\/sub>; del fluido; se questa condizione \u00e8 soddisfatta, il massimo flusso termico trasferibile qmax<\/sub>\u00a0\u00e8 limitato da diversi fenomeni. L\u2019area delimitata dalle curve di Figura 2 \u00e8 la regione di funzionamento in condizioni stabili del tubo di calore.<\/p>\n

I fenomeni che influenzano il funzionamento del tubo di calore sono: il limite viscoso, il limite sonico, il limite capillare, l\u2019entrainment e il limite di ebollizione.<\/p>\n

Limite viscoso:<\/strong> questa condizione si riscontra quando la temperatura \u00e8 molto vicina alla Tfreeze<\/sub>; la pressione e la densit\u00e0 del vapore sono molto basse e le forze viscose dominano il deflusso. La caduta di pressione del vapore non pu\u00f2 essere maggiore della pressione assoluta nelle vicinanze dell\u2019evaporatore.<\/p>\n

Limite sonico:<\/strong> questo limite pu\u00f2 essere importante per i tubi di calore ad alta temperatura che utilizzano metalli liquidi. Se si diminuisce la temperatura e quindi la pressione al condensatore a parit\u00e0 di temperatura all\u2019evaporatore, un aumento del flusso termico comporta un incremento della velocit\u00e0 del fluido. Il limite sonico \u00e8 raggiunto quando la velocit\u00e0 del vapore all\u2019evaporatore risulta uguale a quella del suono. In queste condizioni, il flusso termico non pu\u00f2 essere ulteriormente aumentato mediante una diminuzione della pressione o della temperatura al condensatore.<\/p>\n

Limite capillare:<\/strong> questa condizione \u00e8 stata studiata nella seconda parte della trilogia sui tubi di calore; per mantenere il fluido in circolazione, la prevalenza capillare generata dalla struttura capillare deve essere maggiore, al pi\u00f9 uguale alla somma delle perdite di carico dovute al deflusso del liquido e del vapore e se presenti a quelle dovute all\u2019inclinazione del tubo di calore.<\/p>\n

\u2206Pc1max <\/sub>\u2265 \u2206PL + <\/sub>\u2206Pv + <\/sub>\u2206Pg<\/sub><\/p>\n

Durante il funzionamento normale, il limite capillare \u00e8 il pi\u00f9 importante e fissa la condizione limite. Se l\u2019analisi del tubo di calore mostra che la struttura capillare non \u00e8 in grado di assicurare il ritorno del liquido dal condensatore all\u2019evaporatore, il dimensionamento deve essere riconsiderato.<\/p>\n

Entrainment:<\/strong> questo limite \u00e8 raggiunto solamente nei tubi di calore che presentano una struttura capillare aperta dove il vapore fluisce in controcorrente rispetto al liquido generando all\u2019interfaccia uno sforzo tangenziale. All\u2019aumentare del flusso termico, le velocit\u00e0 del vapore e del liquido aumentano; quando lo sforzo tangenziale raggiunge livelli tali da destabilizzare l\u2019interfaccia, si formano delle onde. Il vapore fluendo verso il condensatore pu\u00f2 strappare delle gocce di liquido dall\u2019interfaccia. Questa situazione accade quando lo sforzo tangenziale \u00e8 maggiore delle forze di tensione superficiale.<\/p>\n

Limite di ebollizione:<\/strong> all\u2019aumentare del flusso termico, la parete dell\u2019evaporatore si surriscalda attivando sempre nuovi siti di nucleazione sulla superficie facendo si che delle bolle possano generarsi all\u2019interno della struttura capillare. Se la struttura \u00e8 aperta, le bolle possono scappare ma se la stessa \u00e8 chiusa, come nel caso di strutture capillari sinterizzate mesh o canali ricoperti, le bolle possono essere trattenute bloccando, di fatto, il deflusso capillare del liquido dal condensatore, causando il fenomeno del dryout, ossia l\u2019asciugatura della parete.<\/p>\n

Per avere un ordine di grandezza dei limiti descritti, possiamo considerare il seguente esempio: un tubo di calore ad ammoniaca utilizzato per il raffreddamento di componenti elettronici satellitari, \u00e8 stato dimensionato per un flusso termico di 50 W alla temperatura di 10 \u00b0C. Il tubo di calore \u00e8 ottenuto da un tubo di alluminio di diametro interno ID= 9 mm e esterno OD=14 mm e presenta una struttura capillare aperta costituita da 32 canali rettangolari assiali (w=0.5 mm and h=0.8 mm). La lunghezza della zona adiabatica \u00e8 pari a 780 mm mentre quelle del condensatore ed evaporatore sono lunghe 100 mm.<\/p>\n

Nella precedente newsletter, abbiamo calcolato la massima differenza di pressione capillare fornita della combinazione ammoniaca\/canali rettangolari aperti, pari a 107 Pa. Nelle condizioni nominali, la differenza di pressione capillare \u00e8 pari a 40 Pa, che \u00e8 inferiore a quella massima calcolata in precedenza.<\/p>\n

Applicando le correlazioni proposte in letteratura per il calcolo dei limiti: viscoso, sonico, capillare, entrainment e di ebollizione, si possono ottenere i risultati riportati in Tabella.<\/p>\n

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Dall\u2019analisi della Tabella possiamo affermare che il limite capillare controlla il funzionamento del tubo di calore; il limite di ebollizione non \u00e8 rilevante perch\u00e9 la struttura capillare \u00e8 aperta.<\/p>\n

I tubi di calore rappresentano un modo interessante ed efficiente per trasferire calore da una regione ad un\u2019altra dove questo possa essere agevolmente rigettato senza l\u2019impiego di organi in movimento; il loro dimensionamento deve essere attento per evitare la loro crisi durante il funzionamento.<\/p>\n

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Bibliografia<\/strong><\/em><\/p>\n