Performance of self-rewetting fluids in pulsating heat pipes

This work describes the studies on the behavior of self-rewetting fluids, particular aqueous solutions of high carbon alcohols, when used as working fluids in Pulsating Heat Pipes (PHP). This category of wickless heat pipes is becoming more and more interesting for a wide range of applications due to its many advantages like the simple and flexible design (leading to flexibility of use), high thermal efficiency (exploiting the liquid phase change), high reliability (due to the low number of components) and passive functioning. The first part of the project was focused on the implementation of the I-VED technique (In-Vivo Embolic Detector) on a grooved heat pipe. The interest about this tool relies on the possibility to carry out highly precise and non-intrusive electrical measurements, in the specific case of this work it can be used to quantify the alcohol fraction in a solution, or to characterize the unsteady bubbly flow typical of PHP’s, giving the possibility to evaluate the number, the velocity and the dimension of circulating bubbles as well as the different flow regimes (thus operating conditions) in the device. Experiments have been carried out to assess the reliability of this technique on the SELENE cell (SELf-rewetting fluids for thermal ENErgy management), a setup designed by Wassilis Tzevelecos for a forthcoming microgravity experiment of the European Space Agency (ESA) [1] [2], on which the I-VED technique has been implemented. The first task is to assess whether or not this concentration diagnostic technique is able to provide reliable and accurate concentration measurements, aiming to characterize the employed self-rewetting fluid. The second part of the work consists in the description of the steps leading to the engineering of a prototype Single Loop Pulsating Heat Pipe (SLPHP), and the subsequent experiments with the adoption of a self-rewetting as working fluid. This setup has been tested in different operating conditions, varying the main operating parameters like the filling ratio, the input thermal power and the inclination angle. All the considerations on the experiments and the results has been discussed in the following sections.

Il presente lavoro tratta degli studi sperimentali riguardo l’effetto dei fluidi auto-bagnanti (“self-rewetting fluids”), particolari miscele di acqua e alcoli ad alto tenore di carbonio, quando impiegati come fluidi di lavoro all’interno di tubi di calore oscillante (“pulsating heat pipes”). Questa tecnologia di trasmissione del calore sta guadagnando interesse in vari settori, grazie ai suoi svariati vantaggi, come la semplicità e la flessibilità di progettazione ed utilizzo, l’alta efficienza termica, l’elevata affidabilità e il funzionamento passivo. La prima parte del progetto si è concentrata sulla verifica dell’affidabilità della tecnica I-VED (“In-Vivo Embolic Detector”) implementata su una “grooved heat pipe”. L’interesse verso questa tecnica nasce dalla possibilità, attraverso misurazioni elettriche altamente precise e non intrusive, di caratterizzare vari aspetti dei flussi bifase, nello specifico per quantificare la frazione di alcol in una miscela, o per descrivere il flusso instazionario bifase tipico delle PHP, dando la possibilità di valutare il numero, la velocità e la dimensione delle bolle di vapore presenti nel setup, nonché i diversi regimi di flusso presenti nel dispositivo. Vari esperimenti sono stati svolti con lo scopo di valutare l'affidabilità di questa tecnica su SELENE (SELf-rewetting fluids for ENErgy management), una “grooved heat pipe” progettata e costruita da Wassilis Tzevelecos per un esperimento dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA) [1] [ 2], su cui l’ I-VED è stata implementata. Il primo compito è valutare se l’impiego della tecnica come strumento di diagnostica di concentrazione sia in grado di fornire misure affidabili e accurate. La seconda parte tratta delle fasi che hanno portato alla progettazione e alla costruzione di un prototipo di “single loop pulsating heat pipe” (SLPHP) e dei successivi esperimenti in cui sono stati messi a confronto un fluido semplice (H2O) e un fluido auto-bagnante (H2O + 1% n-Butanol). Le prestazioni della PHP sono state testate in diverse condizioni operative, variando i principali parametri, come il “filling ratio”, la potenza termica in ingresso all’evaporatore e l'angolo di inclinazione.