Experimental and numerical analysis of flat plate pulsating heat pipes for space applications

The current thesis is part of a research project financed by the ESA (European Space Agency) which investigates the use of the Pulsating Heat Pipes as passive thermal control systems for space applications. The main goal of this work has been to analyse these heat exchangers both from an experimental and a numerical point of view, in order to outline a general overview that can be useful for their characterization. The work is thus divided in two parts: an experimental and a numerical analysis. As for the first part, three different PHPs having different geometrical features have been tested under various operative conditions. The tests led to some general conclusions concerning the behaviour of these devices, underlining some critical factors for their design and showing the peculiarities of the thermal performances. As for the numerical modelling, it is split in two parts; a first study concerns the reproduction of the thermal performance measured during some of the tests, basing on some considerations about the internal fluid dynamics of the PHP. The second part concerns the implementation of a Matlab model based on the conservation equations in order to simulate a specific working condition of the PHP, for which the fluid dynamics and the heat exchange are simplified.

Il presente lavoro di tesi si contestualizza in un progetto di ricerca finanziato dall’ESA (Agenzia Spaziale Europea) con l’obiettivo di valutare l’utilizzo dei Pulsating Heat Pipes come sistemi passivi di controllo termico in applicazioni spaziali. L’obiettivo specifico di questa tesi è stato quello di analizzare questi scambiatori sia da un punto di vista sperimentale che numerico, in modo da fornire un quadro quanto più possibile completo per la loro caratterizzazione. Il lavoro si divide dunque in due parti: un’analisi sperimentale ed una modellazione numerica. Per quanto riguarda la prima parte, tre PHP aventi diverse caratteristiche geometriche sono stati testati in diverse condizioni operative ed i risultati sono stati poi tra loro comparati. E’ stato dunque possibile trarre alcune conclusioni generali in merito al comportamento di questi dispositivi, individuando alcuni fattori critici per la loro progettazione ed evidenziandone gli aspetti peculiari in termini di prestazioni termiche. Per quanto riguarda la modellazione numerica, questa si compone di due parti; un primo studio si interessa di replicare una prestazione termica ottenuta in via sperimentale basandosi su alcune considerazioni in merito alla fluidodinamica interna al PHP. La seconda parte dello studio numerico riguarda la scrittura di un modello Matlab basato sulle equazioni di conservazione per descrivere una particolare condizione di funzionamento, per la quale la fluidodinamica e lo scambio termico risultano particolarmente semplici.