I ricercatori studiano come funzionano i tubi di calore nello spazio

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I tubi di calore sono ampiamente utilizzati in vari sistemi di raffreddamento che raffreddano qualsiasi cosa, dai notebook ai veicoli elettrici, e dalle apparecchiature industriali ai telescopi spaziali. Poiché i tubi di calore sono così pervasivi e servono così tante applicazioni, ce ne sono moltissimi tipi e i ricercatori studiano costantemente modi per migliorarne l’efficienza e/o renderli più adatti a nuove applicazioni. Per fare ciò, devono studiare con precisione come si comportano i liquidi e le miscele liquide nei tubi di calore.

Un gruppo di ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute sta studiando le prestazioni di tubi di calore senza stoppino riempiti con una miscela di pentano e fluido isoesano a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS), così come sulla Terra. I ricercatori hanno già testato il comportamento delle miscele pentano/isoesano sulla ISS nel 2016, così come hanno studiato i tubi di calore senza stoppino sulla Terra. Verranno condotti nuovi esperimenti per studiare vari fattori che influenzano il trasferimento di calore, inclusi gli effetti delle forze di Marangoni, della condensazione e della presenza di goccioline di Leidenfrost. Il progetto esplorerà anche il modo in cui la gravità influenza questi fattori.

“Gli obiettivi principali del presente studio sono comprendere i fenomeni interfacciali delle miscele liquide quando si verificano processi di cambiamento di fase (evaporazione e condensazione)”, ha affermato il professor Joel Plawsky, capo del Dipartimento di ingegneria chimica e biologica Isermann a Rensselaer e leader del progetto. il progetto di ricerca. “La miscela che stiamo utilizzando potrebbe non essere ottimale per migliorare le prestazioni dei tubi di calore, ma ciò che osserviamo potrebbe essere utile in molti altri processi, come comprendere la distillazione e il modo in cui le miscele fluide influenzano le prestazioni dell’evaporatore e del condensatore. Ad esempio, i nuovi refrigeranti sono miscele di liquidi, non componenti puri. Comprendere come si comportano ci consente di progettare sistemi di raffreddamento più efficienti”.

Tubi di calore pervasivi

I tubi di calore sono meccanismi di trasferimento del calore semplici ma molto efficienti. Un tubo termico è solitamente un tubo di rame sigillato che contiene una certa quantità di un liquido funzionale come l’acqua. Se esposto a una fonte di calore, nota anche come evaporatore, questo liquido si trasforma in vapore mentre si riscalda. Questo vapore si sposta quindi attraverso il tubo di calore fino a una sezione chiamata condensatore, dove si trasforma nuovamente in liquido e cede il calore immagazzinato. Infine il liquido ritorna all’evaporatore completando il ciclo senza richiedere alcun componente meccanico. L’acqua viene utilizzata raramente come liquido funzionale poiché il suo punto di evaporazione è piuttosto alto (100°C) e sono preferibili liquidi refrigeranti con un punto di evaporazione più basso (40°C – 50°C). Oltre a fattori come il punto di evaporazione del liquido refrigerante, ci sono aspetti come le forze di Marangoni e le goccioline di Leidenfrost che influenzano le prestazioni dei tubi di calore.

Le forze Marangoni possono influenzare il movimento del refrigerante all’interno del tubo di calore, influenzando l’efficienza con cui il calore viene trasferito dall’evaporatore al condensatore e quindi potenziando o ostacolando il processo di cambiamento di fase. Nel frattempo, le forze di Marangoni spesso interagiscono con altre forze come le forze capillari (che è importante per i tubi di calore malvagi) e l’equilibrio tra queste forze può determinare le prestazioni del tubo di calore e le eventuali limitazioni che può avere. Comprendere le forze Marangoni è particolarmente importante in applicazioni specializzate come gli ambienti di microgravità, dove il flusso tradizionale guidato dalla gravità è minimo. In questi casi, le forze di Marangoni possono svolgere un ruolo dominante nel funzionamento del tubo termico.

Le goccioline di Leidenfrost sono gocce del liquido di raffreddamento che aleggiano sulla superficie calda dell’evaporatore a causa della rapida vaporizzazione nel punto di contatto (vaporano quando incontrano una superficie molto più calda del suo punto di ebollizione). Questo cuscino di vapore funge da isolante, riducendo l’efficienza del trasferimento di calore. La presenza di queste goccioline può anche portare a problemi di stabilità nel funzionamento del tubo termico. Comprendere l’effetto Leidenfrost è fondamentale per le applicazioni ad alta temperatura in cui è più probabile che si verifichi.

La maggior parte dei tubi di calore utilizzati nei sistemi di raffreddamento per PC sono porosi, ma i ricercatori li utilizzano tubi di calore senza stoppino Invece. I tubi di calore senza assorbimento offrono alcuni vantaggi distinti, tra cui un design più semplice e costi di produzione potenzialmente inferiori. Sono particolarmente adatti per ambienti in cui gli effetti della gravità sono minimi, come nelle applicazioni spaziali, perché si basano sulle proprietà proprie del fluido e sulle forze esterne per il funzionamento. Inoltre, l’assenza di uno stoppino significa che c’è una minore resistenza al flusso, che a volte può comportare una migliore prestazione termica.

“I principali vantaggi sono che i tubi di calore senza stoppini possono essere più leggeri, gli stoppini possono intasarsi, degradarsi o essere soffocati dalla formazione di vapore nei pori e, se un sistema si congela, un sistema senza stoppini può teoricamente trasportare un liquame durante l’avvio -up che intaserebbe uno stoppino”, ha detto Plawsky. “[For us]l’unico vero vantaggio del tubo di calore senza wick è che possiamo vedere al suo interno e dire dove si trovano il liquido e il vapore, il che ci permette di testare idee su come funzionano i tubi di calore”.

In generale, anche i tubi di calore senza wick hanno i loro limiti, motivo per cui non vengono utilizzati per applicazioni commerciali ampiamente disponibili. I tubi di calore Wickless sono generalmente meno versatili dei tubi di calore Wickless, soprattutto quando si tratta di orientamento e di lavoro contro la gravità, il che li rende meno adatti per applicazioni in cui il dispositivo deve funzionare in posizioni diverse (ad esempio, la maggior parte delle applicazioni sulla Terra). Inoltre, potrebbero non essere altrettanto efficaci nel gestire elevati sbalzi termici rispetto alle loro controparti malvagie, limitandone l’uso in applicazioni ad alte prestazioni come i PC.

Nuove miscele come refrigeranti

Risultati recenti indicano che l’utilizzo di una miscela di fluidi, piuttosto che un fluido puro, potrebbe migliorare l’efficienza e l’affidabilità dei tubi di calore, in particolare, e dei sistemi di raffreddamento a cambiamento di fase (ad esempio, camere di vapore, piastre fredde, ecc.), in generale. Per creare la migliore miscela di refrigerante possibile, è necessario capire esattamente come i contenuti interagiscono tra loro e come si comporta la miscela in un particolare tubo termico (cioè interagisce con la sua superficie).

Poiché lo scopo della ricerca è comprendere gli effetti delle forze di Marangoni, delle goccioline di Leidenfrost e delle peculiarità della condensazione nei tubi di calore senza wick in vari ambienti, i ricercatori utilizzano miscele di fluidi pentano/isoesano.

“Inizialmente abbiamo studiato il pentano puro e abbiamo dimostrato che le forze di Marangoni hanno svolto un ruolo importante”, ha detto Plawsky. “Utilizziamo la miscela come una forma di fluido auto-riumidificante per migliorare le prestazioni del sistema. I fluidi autoribagnati utilizzano gradienti di concentrazione per compensare i gradienti di temperatura. Una sorta di push me-pull you delle forze Marangoni che si nascondono a vicenda. Abbiamo utilizzato pentano e isoesano perché sono fluidi molto semplici e possiamo calcolare con precisione il modo in cui interagiscono con le superfici”.

Queste miscele hanno punti di evaporazione molto elevati, pari a quasi 250°C, e difficilmente verranno utilizzate per applicazioni commerciali. Nel frattempo vengono prese in considerazione le miscele fluide pentano/isoesano ideale per studiare i tubi di calore.

“Abbiamo portato le nostre miscele di pentano e isoesano a temperature di quasi 250°C”, ha affermato Plawsky. “Faremo lo stesso anche adesso. Il limite di temperatura è definito dal punto di infiammabilità della sostanza più volatile, il pentano. Questo è un problema di sicurezza, non scientifico”.

Anche se la miscela non verrà quasi mai utilizzata per i sistemi di raffreddamento poiché è infiammabile, è particolarmente utile per gli scienziati che vogliono studiare il comportamento dei fluidi nei tubi contorti.

“Il pentano e l’isoesano sono fluidi modello, non fluidi ideali per applicazioni commerciali”, ha riconosciuto Plawsky. “La maggior parte delle persone vuole lavorare con l’acqua o nel campo della microelettronica o con altri refrigeranti il ​​cui grande vantaggio è che non sono infiammabili. [But usage of the pentane/isohexane mixture will provide] conoscenze fondamentali e la capacità di utilizzare fluidi molto puri in geometrie complicate”.

Lo studio impiegherà a Configurazione a bolle di vapore vincolate (CVB). (che gli scienziati del Rensselaer Polytechnic Institute e della NASA utilizzano da tempo) situati sulla ISS e sulla Terra per esplorare come si comportano le diverse interazioni superficiali nelle combinazioni di fluidi organici.

“Il nostro sistema vaporizza il liquido all’estremità calda, lo condensa all’estremità fredda e lo restituisce attraverso gli angoli della cuvetta che contiene il fluido”, ha affermato Plawsky. “Utilizziamo un microscopio per visualizzare le frange di interferenza naturali che risultano dalle riflessioni sulle interfacce vetro-liquido e liquido-vapore.”

Nuovo modo di misurazioni

Una delle cose interessanti della ricerca è che utilizzerà una tecnica chiamata interferometria multi-lunghezza d’onda per esaminare l’interazione tra lo stato di vapore e quello liquido nel tubo di calore. Questo metodo può individuare i cambiamenti di curvatura che guidano il flusso del fluido e può anche individuare spostamenti di fase localizzati all’interno degli archi liquidi nel sistema.

“L’interferometria a lunghezze d’onda multiple può migliorare la risoluzione delle nostre misurazioni e maggiore è la frequenza della luce, più sottili sono i film che possiamo misurare”, ha affermato Plawsky. “Quindi, la luce blu ha a che fare con pellicole più sottili rispetto alla luce rossa.”

I ricercatori intendono concentrarsi sulle aree vicine alla fonte di calore, dove Marangoni e le forze capillari potrebbero creare nuovi colli di bottiglia nelle prestazioni e dove le forze molecolari sembrano innescare la formazione di liquidi inaspettata. Questo studio dei confini sarà abbinato ai dati sulla temperatura per comprendere e prevedere meglio la gestione del calore del condotto termico. Quindi, verranno sviluppati modelli computazionali per interpretare questi risultati, coprendo sia le aree dell’arco che il dispositivo complessivo.

Gli scienziati sperano che i risultati del progetto contribuiscano a migliorare la progettazione di sistemi di raffreddamento basati sul cambiamento di fase ampiamente utilizzati in varie aree, compresi i PC. La ricerca definirà inoltre i limiti dell’evaporazione e della condensazione, la stabilità della curva del liquido e la validità delle teorie della miscela fluida ideale nella termodinamica dell’equilibrio di fase. Se combinato con studi precedenti, potrebbe aiutare a identificare il rapporto di miscela più efficace per ottimizzare il trasferimento di calore e l’efficienza di raffreddamento.

“Speriamo di capire come si comportano le miscele liquide in condizioni di microgravità quando riscaldate”, ha spiegato Plawsky. “Il CVB, quando riempito con una miscela liquida, si comporterà non solo come un tubo di calore, ma come un dispositivo di distillazione evaporativa con liquido ad alto punto di ebollizione concentrato all’estremità del riscaldatore e liquido con punto di ebollizione più basso all’estremità del condensatore.

“Non siamo sicuri di come i cambiamenti di concentrazione e temperatura interagiranno e influenzeranno il flusso di liquido e vapore nel dispositivo, quindi è qualcosa che stiamo cercando di capire vedendo effettivamente dove vanno il liquido e il vapore nel sistema. Anche se qui stiamo studiando solo una composizione della miscela, combinando il lavoro passato avremo un’idea di quale potrebbe essere il miglior rapporto di miscela per migliorare il trasferimento di calore e le prestazioni di raffreddamento”.