Rilievi Sperimentali sui Termosifoni Bifase in Contro Gravità

Simbologia essenziale 
 
8
w acqua 
tras fase di trasporto 
rit 
fase di ritorno 
 
 
 
due pedici separati da virgola sono contemporaneamente validi 
 
 
lettere greche 
r 
densità 
s 
tensione superficiale 
h 
resa termica 
t 
periodo 
m 
viscosità dinamica 
n 
viscosità cinematica 
 
Introduzione 
 
4
INTRODUZIONE 
 
 
La ricerca di sistemi efficienti di trasporto di calore per applicazioni tecnologicamente 
avanzate, come il raffreddamento di componenti elettronici in veicoli spaziali o in 
moderni personal computers, sta guadagnando un interesse sempre maggiore. 
Testimonianza di tale interesse sono i numerosi lavori svolti in quest’ ambito di cui [1] 
[2] costituiscono esempio. 
L’attività di ricerca si è indirizzata particolarmente sullo sviluppo di sistemi passivi per 
lo scambio di calore. 
Con il termine di sistema passivo si intende un dispositivo che sia in grado di rimuovere 
calore da una sorgente calda e di cederlo ad una sorgente fredda senza l’ introduzione di 
un lavoro esterno. 
Sebbene tali sistemi siano più complicati e costosi da progettare e realizzare, i vantaggi 
che presentano rispetto agli attivi sono molteplici, e non si limitano soltanto ad un 
naturale risparmio energetico, ma si estendono ad una crescita dell’ affidabilità ed una 
relativa diminuzione degli interventi di manutenzione, grazie all’ eliminazione di parti 
meccaniche in movimento (come pompe o ventilatori), ed alla maggiore facilità nella 
gestione di fluidi aggressivi, tossici o nocivi. 
La maggior parte dei trasferitori passivi di calore sfrutta come vettore una sostanza 
monofase o bifase, in particolare l’ utilizzo di fluidi in cambiamento di fase, con basso 
calore latente di vaporizzazione risulta la soluzione più adottata in quanto minimizza le 
resistenze termiche di conduzione, [3] [4] [5].  
Un vincolo dei circuiti di trasporto passivi è costituito dalla necessità di funzionare tra 
due sorgenti di calore: affinché tale trasporto avvenga in regime permanente è 
necessario che la sorgente calda sia posta ad una quota inferiore alla fredda, essendo il 
trasporto effettuato a spese della forza fluidomotrice.  
Anche se la gran parte dei processi naturali di trasmissione del calore e delle 
applicazioni tecniche che li sfruttano avvengono a favore di gravità, possono esistere dei 
Introduzione 
 
5
particolari impieghi per i quali occorra svincolarsi da una così rigida disposizione delle 
sorgenti termiche. 
Questo è il caso delle applicazioni spaziali, nelle quali il trasporto di calore deve 
avvenire con un campo gravitazionale assai ridotto o addirittura assente, oppure il caso 
dello sfruttamento dell’ energia solare, nel quale gli effetti gravitazionali sono presenti 
ma il trasporto di calore deve avvenire dall’ alto verso il basso. 
Dunque si rende utile la messa a punto di tecniche di trasporto in controgravità, senza 
cioè che la disposizione delle sorgenti di scambio termico preveda necessariamente 
l’evaporatore (sorgente calda) posizionato ad una quota inferiore al condensatore 
(sorgente fredda), così come avviene nei circuiti passivi a favore di gravità conosciuti 
con il termine generico di termosifoni. 
Tra i mezzi più efficienti ed avanzati funzionanti in controgravità, un ruolo 
fondamentale spetta al tubo di calore.  
In esso l’energia termica è trasferita attraverso l’evaporazione di un liquido 
termovettore, il trasporto e la condensazione del suo vapore; il condensato ritorna 
nell’evaporatore per chiudere quello che è un vero e proprio ciclo di trasferimento a 
lavoro nullo [4].  
Le forze utilizzate per garantire la circolazione del fluido sono di vario tipo: capillari, 
centripete, elettrostatiche, magnetiche, osmotiche [6], [7] e elettro-osmotiche [8]. 
I tubi di calore maggiormente sviluppati sono quelli che sfruttano la presenza di matrici 
porose in grado di generare forze, per  effetto capillare, tali da garantire il ritorno del 
condensato alla sorgente calda.  
Tuttavia per aumentare le prestazioni dei tubi di calore, in particolare per aumentarne il 
dislivello massimo realizzabile tra evaporatore  e condensatore, sono stati messi a punto 
dispositivi con condotti separati per la fase liquida e per il vapore. 
Tra queste applicazioni i loop heat pipes (LHP) ed i capillary pumped loops (CPL), 
sono senza dubbio quelle con maggiore successo, [9] [10]. 
Parallelamente all’ evoluzione dei dispositivi a capillarità, sono stati realizzati altri tipi 
di sistemi completamente passivi, operanti in controgravità senza la prevalenza generata 
dalle matrici porose, con la caratteristica comune di non funzionare a regime 
permanente, ma pulsato e quindi tipicamente non stazionario; queste macchine sono 
Introduzione 
 
6
state identificate, [11], con il termine di termosifoni bifase in controgravità a 
funzionamento pulsato. 
L’ interesse verso questi sistemi di trasporto è molto attivo nell’ università di Pisa, 
soprattutto nel dipartimento di Energetica “Lorenzo Poggi”, dove è stato realizzato un 
apparato sperimentale. 
Il progetto è nato all’ interno di una collaborazione con il “Moscow Power Institute” di 
Mosca. 
I precedenti studi condotti sul termosifone bifase, presente nel laboratorio del 
dipartimento di Energetica [12] [13], hanno portato alla caratterizzazione del 
funzionamento della macchina in varie condizioni operative.  
Il presente lavoro di tesi vuole aggiungere un contributo a tali studi, fornendo una 
ricerca sistematica su come la variazione della potenza fornita all’ evaporatore, sede del 
componente elettronico da raffreddare, sia in grado di influenzare i principali parametri 
caratterizzanti il ciclo pulsato, quali la temperatura operativa, i tempi caratteristici, l’ 
efficienza. 
In particolare si intende individuare la presenza di eventuali limiti di potenza trasferita 
e, nel caso affermativo, il loro legame con gli altri parametri operativi. 
Il lavoro si struttura con una parte introduttiva ai sistemi passivi di trasporto, i capitoli I 
e II, nei quali si presentano in dettaglio i tubi di calore, i LHPs, i CPLs ed i termosifoni 
bifase, mettendo in evidenza differenze ed analogie. 
Nel capitolo III viene descritta in maniera completa l’ apparecchiatura sperimentale 
oggetto delle prove; tali prove, sia dal punto di vista operativo che da quello degli esiti 
ottenuti, sono discusse nel capitolo IV. 
Il lavoro si conclude con un analisi dei limiti di funzionamento della macchina in 
questione e con la presentazione di un criterio di valutazione, basato su parametri 
adimensionali, per la previsione dei limiti di un termosifone bifase in controgravità, 
svincolato dall’ apparecchiatura testata, capitolo V. 
 
 
 
Capitolo I. Il trasporto di calore in controgravità con 
dispositivi ad effetto capillare 
 9
I. IL TRASPORTO DI 
CALORE IN 
CONTROGRAVITA’ CON 
DISPOSITIVI AD 
EFFETTO CAPILLARE 
 
I.1  Introduzione 
 
 
Il sistema di controllo termico, per le ultime generazioni di veicoli spaziali, deve essere 
in grado di trasferire grosse quantità di potenza dissipate, nei casi più gravosi superiori 
ai 100 KW, su elevate distanze, talvolta superiori ai 100 m, [2]. 
I tradizionali metodi di smaltimento del calore tramite sostanze a singola fase, basati 
sulla capacità termica del fluido vettore, risultano semplici, facili da studiare e testare, 
relativamente poco costosi, tuttavia inefficienti per garantire piccoli incrementi delle 
temperature e contenuti ingombri, inoltre facendo uso di potenti pompe introducono 
dannose vibrazioni ed accrescono la potenza necessaria al veicolo. 
Per queste ragioni sono state sviluppate tecniche di trasporto che sfruttano sostanze 
bifase, nelle quali il pompaggio del fluido si concretizza tramite l’ azione delle forze 
capillari generate in una matrice porosa. 
Questi dispositivi si caratterizzano come sistemi di trasporto a lavoro esterno nullo, 
altrimenti detti sistemi passivi. 
Capitolo I. Il trasporto di calore in controgravità con 
dispositivi ad effetto capillare 
 10
Questo capitolo descrive i maggiori sforzi di ricerca effettuati nell’ ambito del 
trasferimento di massa e calore, con apparecchi capillari, allo scopo di esercitare un 
controllo termico su svariati sistemi, in particolare sui componenti elettronici. 
La descrizione è focalizzata in relazione ad applicazioni in ambito spaziale, ci 
occuperemo quindi soltanto di dispositivi operanti in controgravità. 
Nei paragrafi successivi verranno trattati diffusamente i tubi di calore (HP), i loop heat 
pipes (LHP), i capillary pumped loops (CPL), come più diffuse applicazioni dei sistemi 
citati. 
Capitolo I. Il trasporto di calore in controgravità con 
dispositivi ad effetto capillare 
 11
I.2  Il tubo di calore (HP) 
 
 
Il tubo di calore è un dispositivo che produce un efficiente trasporto di notevoli quantità 
di energia tra due sorgenti con piccola differenza di temperatura. 
Il primo tubo di calore fu realizzato da Grover nei primi anni 60. 
Uno schema tipico del suo funzionamento è quello di figura (1.1), 
 
Fig. 1.1 
 
Il dispositivo consiste in un solido cavo, la cui superficie interna è parzialmente rivestita 
da una matrice porosa a struttura capillare indicata con il termine anglosassone wick. 
Il tubo può essere pensato idealmente composto da tre parti, una a contatto con la 
sorgente calda, parte indicata col nome di evaporatore, una seconda a contatto con la 
sorgente fredda, detta condensatore, ed una terza intermedia e completamente 
adiabatica. 
All’ interno del tubo scorre un fluido vettore in condizioni di saturazione. 
Qualsiasi elemento chimico, puro o composto, può fungere da fluido vettore pur che sia 
in condizioni di saturazione alle temperature operative. 
Il calore sprigionato dalla sorgente calda, a contatto con l’ evaporatore, viene impiegato 
per vaporizzare una certa quantità del fluido vettore; si genera in questo modo una 
Capitolo I. Il trasporto di calore in controgravità con 
dispositivi ad effetto capillare 
 12
differenza di pressione nel vapore all’ interno del tubo, che lo spinge dall’ evaporatore 
fino al condensatore, dove condensa e rilascia il proprio calore latente di 
vaporizzazione. 
Il liquido formato nel condensatore viene richiamato all’ evaporatore dall’ azione 
capillare della matrice porosa; così il tubo di calore trasporta in maniera continua il 
calore latente di vaporizzazione da una sorgente all’ altra, mentre la matrice porosa 
garantisce una adeguata forza di ritorno, in modo tale che la circolazione non venga 
bloccata. 
La quantità di calore trasportata da questi dispositivi è generalmente svariati ordini di 
grandezza superiore a quella trasportata dai convenzionali sistemi basati sulla 
convezione. 
La figura (1.2) mostra una tipica distribuzione di pressione all’ interno del tubo di 
calore. 
 
Fig. 1.2 
 
Il flusso di vapore dall’ evaporatore al condensatore crea un gradiente di pressione 
lungo il percorso, analogamente il flusso di liquido che procede in maniera contraria 
crea un gradiente di pressione nel liquido, così lungo tutto il tubo la pressione della fase 
liquida, all’ interfaccia liquido-vapore, sarà diversa da quella della fase liquida. 
Questa differenza di pressione tra le due parti dell’ interfaccia liquido-vapore è 
bilanciata dalla pressione capillare, generata dai principali raggi di curvatura del 
menisco nella zona di contatto delle fasi. 
Affinché il tubo di calore funzioni occorre che la massima pressione capillare sia più 
grande delle perdite di carico totali nel tubo.  
Capitolo I. Il trasporto di calore in controgravità con 
dispositivi ad effetto capillare 
 13
Ipotizzando di trascurare le perdite dovute all’ evaporazione ed alla condensazione, la 
condizione precedente si concretizza in 
(1.1)       
gravglcap
PPPP ∆+∆+∆≥
max
)(      
dove   
gravità alla dovuta pressione di e variazion
 vaporedi flusso dal introdotte carico di perdite 
liquido di flusso dalintrodotte carico di perdite 
capillare pressione massima )(
max
=∆
=∆
=∆
=
grav
g
l
cap
P
P
P
P
 
 
 
Fig. 1.3 
 
Nel caso l’ equazione (1.1) non sia soddisfatta, la matrice porosa non consente il ritorno 
del liquido all’ evaporatore ed il ciclo di trasferimento non viene completato. 
E’ importante notare che il termine 
grav
P∆ , prossimo a zero nelle applicazioni spaziali, 
in presenza di gravità può avere un effetto sia ostacolante che facilitante per l’ azione 
capillare, tutto dipende dalla disposizione delle sorgenti. 
Capitolo I. Il trasporto di calore in controgravità con 
dispositivi ad effetto capillare 
 14
Nel caso di evaporatore posto ad una quota inferiore al condensatore, la gravità può 
essere capace da sola di consentire il ritorno della fase liquida, senza l’ ausilio di matrici 
porose, queste applicazioni sono comunemente chiamate termosifoni bifase a favore di 
gravità ed una tipica rappresentazione è data in figura (1.3). 
 
 
 
 
 
 
 
Capitolo I. Il trasporto di calore in controgravità con 
dispositivi ad effetto capillare 
 15
I.2.1  La pressione capillare 
 
 
All’ interfaccia liquido-vapore, zona nella quale si forma il menisco, la pressione 
capillare generata dipende dal tipo di fluido e dalla matrice porosa utilizzati, il suo 
valore può comunque essere calcolato con l’ equazione (1.2) detta di Laplace 
(1.2)       








+⋅=
21
11
RR
P
cap
σ  
dove si indica con σ il coefficiente di tensione superficiale del fluido e con R
1
 , R
2
 i 
raggi di curvatura principali del menisco. 
La funzione della matrice porosa è triplice:  
1. fornisce superficie porosa all’ interfaccia liquido-vapore per esercitare la 
pressione capillare necessaria 
2. assicura sufficiente spazio per il passaggio del condensato in fase di ritorno 
3. garantisce l’ efflusso di calore fra la parete interna del tubo e l’ interfaccia 
liquido-vapore. 
Le strutture capillari normalmente utilizzate possiedono scanalature in direzione assiale 
e le loro sezioni più comuni sono mostrate in figura (1.4). 
La figura (1.5) mostra invece lo spaccato di un tubo di calore radiale, nel quale le 
sorgenti sono disposte internamente ed esternamente al solido di rotazione che 
costituisce la struttura del tubo; in questo caso il flusso anziché risultare assiale risulta 
radiale, il calore è trasportato dall’ interno verso l’ esterno e le fasi, liquida e gassosa, 
fluiscono come indicato. 
Con il crescere del calore introdotto in evaporazione, ed a parità di temperatura della 
sorgente fredda, si assiste ad un aumento della temperatura operativa del fluido vettore, 
per questo i tubi di calore sopra descritti vengono definiti a conduttanza costante. 
Infatti indicando con Q
&
 il flusso di calore trasportato dal tubo possiamo scrivere 
(1.3)       )(
cehp
TTCQ −⋅=
&
 
Capitolo I. Il trasporto di calore in controgravità con 
dispositivi ad effetto capillare 
 16
Nell’ equazione (1.3) T
e
 sta per la temperatura dell’ evaporatore, T
c
 per quella del 
condensatore, C
hp
 rappresenta invece la conduttanza termica del tubo di calore. 
 
Fig. 1.4 
 
 
 
Fig. 1.5 
 
Capitolo I. Il trasporto di calore in controgravità con 
dispositivi ad effetto capillare 
 17
Un altro importante parametro caratterizzante il tubo di calore è la capacità di 
trasporto, definita come il prodotto del calore trasportato per la lunghezza effettiva del 
dispositivo, cioè la distanza media tra l’ evaporatore e il condensatore. 
La capacità di trasporto decresce con l’ incremento delle temperature operative. 
I tubi di calore a conduttanza costante tuttavia presentano delle difficoltà di 
applicazione nei casi in cui il flusso di calore in ingresso e/o in uscita dal dispositivo  
risultano variabili nel tempo; principalmente per queste ragioni sono stati sviluppati i 
tubi di calore a conduttanza variabile. 
Capitolo I. Il trasporto di calore in controgravità con 
dispositivi ad effetto capillare 
 18
I.2.2  HP a conduttanza variabile (VCHP) 
 
 
 
Fig. 1.6 
 
Lo scopo dei tubi di calore a conduttanza variabile è il controllo delle temperature 
operative a fronte di variazioni del calore fornito in evaporazione, che nella maggior 
parte dei casi proviene dalla dissipazione di sistemi elettronici, o a fronte di variazioni 
della temperatura della sorgente fredda, in genere rappresentata dall’ ambiente 
circostante. 
Le temperature operative del tubo di calore debbono rimanere più vicine possibile a 
quelle di progetto per non degradare la sua capacità di trasporto. 
La variazione di conduttanza si ottiene controllando la portata del fluido circolante 
attraverso due tecniche: 
1. interruzione del flusso di liquido che scorre nella matrice porosa, o interruzione 
del flusso di vapore che scorre nella parte interna al tubo, per mezzo di valvole 
di controllo comandate da termostati 
 
2. riduzione del tasso di condensazione.