Modelling and qualification of a capillary jet loop heat pipe for microgravity application

Different sectors from aerospace, energy, automotive and electronic are evolving very rapidly towards two-phase passive heat transfer devices because of their compactness, performances and lightweight. HP can operate against gravity due to the high capillary forces present in the wick part of the evaporator. Three major parts could be distinguished: evaporator (hot sink), condenser (cold sink) and adiabatic section. Latent heat is transferred through vapour motion from evaporating section towards condensing section. In the study here discussed a novel prototype of Capillary Jet Loop Heat Pipe, a two-phase passive heat transfer device produced by Calyos Company and funded by European Space Agency have been investigated. Capillary Jet Loop is similar to Loop Heat Pipe where the evaporator presents a wick structure and the loop is wickless. The main difference is the decoupling of evaporator from the loop through a bypass that permits part of the liquid flow to pass undisturbed through the evaporator section. Liquid that enter the evaporator soaks the wick that is heated at the base with an electric heater, generating vapour. Vapour is collected and accelerated through a nozzle forming a jet that is mixed with the bypass flow increasing pressure and making possible circulation inside the loop. Here is presented the thesis work aimed to: CJL modelling based on real geometrical and fluid. Design a solid, reliable test bench (rack). Study the CJL at ground condition, with interest to the different performances at varying power level, condenser temperature and orientation. To better understand the influence of parameters a model of CJL has been developed. Firstly, void fraction of the system has been calculated for different FR and temperature. Then maximum heating power is estimated, a bell shape curve function of fluid temperature is obtained with a maximum point at 85°C. Loop curve and ejector-pumping curve are calculated in two opposite conditions to find the matching point at which the system reaches a stable condition: Negligible flow quality variation in the loop (x≅const), condensation doesn’t affect significantly on quality and annular flow assumption. Complete condensation inside the loop (x=0), complete condensation occurs at a fixed length of loop. The results suggested that annular flow cannot occur at low power and it is highly improbable at the given assumptions. The model based on full condensation seems to be more accurate because gives a functioning point at lower pressure and higher mass flow rate. Parametric analysis has been performed on the last model varying porous capillary diameter, pipe diameter, nozzle diameter, filling ratio, loop length, heating power, slip ratio, fluid temperature. A rack for microgravity application has been designed and built. Several requirements and guidelines of Novespace (the France company for parabolic flights) have been studied and an up to date documentation of the rack was emitted to be accepted in the flights campaign. The rack is composed by a laser cut base plate, two PC cages intended to hold notebooks, acquisition and control system, hydraulic-cooling system, power supplies and electric equipment. The CJL is inserted inside a second containment box specifically realized to avoid leakages and sustain high forces in axial direction of the aircraft. It was tested for mechanical resistance at 13.5 g-force and water leakages. Ceramic heater is installed at the base of CJL evaporator, 14 thermocouples realized and installed on CJL. A power supply of 240W maximum has been adjusted and controlled through a linear dimmer typically adopted for lightning purpose, working in PWM (Pulse Width Modulation). Accelerometer tested and calibrated. Hydraulic system is assembled with radiator, 2 fans, pump, thermostats connected to the fans and a flow meter indicator. The system has been characterized to estimate the temperature gradient at given mass flow rate, then a test on fans failure is made to know the temperature and time limit before critical condition are reached. CompactRIO is assembled with its modules and LabView program realized for ground testing. At completion of the rack, experimental study on CJL has been performed at varying power, condenser temperature and orientation. From the results and the calculation of thermal resistance the best performing condition for CJL horizontal at 45°C condenser temperature and power between 40-80W. At vertical condition with evaporator at bottom the performances decrease. While in vertical with evaporator at top orientation the device undergoes dryout at any power. Further development on the model have to be made by: Removing isothermal assumption. Not negligible evaporator volume. Liquid/vapour interface at porous not negligible. Different flow quality based on experimental evidence. Further experimental studies have to be performed: Lower and higher condenser temperature. Microgravity environment are scheduled to occur in the close future. Higher power at horizontal condition has to be tested in order to find the dryout occurrence in horizontal condition. High speed and thermal camera visualization of transparent section. Different fluid and filling ratio. Change ejector and evaporator design.

Diversi settori: aerospaziale, energetico, automobilistico ed elettronico stanno evolvendo molto rapidamente verso dispositivi di trasferimento di calore passivo bi fase in quanto compatti, efficaci e leggeri. Tra questi, l’interesse verso gli Heat Pipe è anche dovuto alla loro capacità di lavorare contro gravità e con un’affidabilità tale da non richiedere manutenzione. In un heat pipe tradizionale si possono distinguere tre zone principali: evaporatore, condensatore e sezione adiabatica. Il calore latente viene trasferito, grazie al movimento del vapore, dalla sezione di evaporazione alla sezione di condensazione. Nel lavoro di tesi qui proposto è stato studiato un nuovo prototipo di Capillary Jet Loop Heat Pipe, uno scambiatore di calore passivo bifase prodotto dalla compagnia belga Calyos e promosso dall’Agenzia Spaziale Europea. Il Capillary Jet Loop è simile al Loop Heat Pipe dove l'evaporatore presenta una matrice porosa mentre il loop ha una superficie interna liscia. La differenza principale dai Loop Heat Pipe è il disaccoppiamento dell'evaporatore dal loop attraverso la realizzazione di un bypass che consente, ad una frazione del flusso di liquido, di passare indisturbato oltre la sezione evaporante. La parte di liquido che entra nell’evaporatore bagna la matrice porosa riscaldata alla base attraverso un riscaldatore elettrico e genera vapore. Il vapore viene convogliato da canali appositi nella matrice e accelerato attraverso un ugello. Viene quindi a formarsi un getto di vapore che si miscela con il flusso di bypass che aveva attraversato indisturbato l’evaporatore, rendendo possibile la circolazione all'interno del loop. Nel lavoro di Tesi qui esposto sono stati portati a termine tre diversi compiti: 1. Modellazione del dispositivo CJL. 2. Progettazione di un banco di prova solido e affidabile (rack). 3. Studio qualificativo del CJL, calcolo delle prestazioni a diversi livelli di potenza, temperatura del condensatore e orientamento. È quindi stato sviluppato un modello che consentisse di comprendere meglio l’influenza dei vari parametri sul funzionamento del dispositivo. Per prima cosa è stata calcolata la frazione di vuoto del sistema al variare della frazione di riempimento (Filling Ratio) e della temperatura. Dopodiché è stato stimato il calore massimo fornibile all’evaporatore, costituito dalla matrice porosa, prima che potesse andare in condizione di dryout. Noti i parametri geometrici e con le ipotesi di fluido isotermo in condizioni sature, una curva a campana è stata ricavata con un punto di massimo a 85°C. Successivamente è stato creato un modello per accoppiare la curva resistiva del loop e la curva dell’eiettore-pompa in grado di trovare il punto di funzionamento stabile del dispositivo in termini di portata circolante e pressione. Non conoscendo le reali condizioni di titolo e di flusso sono state esposte due soluzioni opposte: • variazione del titolo trascurabile all’interno del loop, la condensazione non influisce in modo significativo sulla variazione del titolo, condizione in cui la portata in gioco di vapore è tale per cui è supponibile l’instaurazione di un flusso anulare. • Completa condensazione del vapore all’interno del loop, dovuta principalmente alla condensazione per contatto diretto tra le fasi. Il titolo raggiunge quindi un valore nullo ad una specifica distanza del loop dall’eiettore. I risultati mostrano come, date le condizioni al contorno limitanti, la prima delle due supposizioni sia altamente improbabile. Il modello basato sulla completa condensazione risulta essere più accurato dato che restituisce un punto di funzionamento plausibile con alte portate e cadute di pressione più contenute. È stata eseguita un’analisi parametrica sull’ultimo modello al variare di: diametro capillare del materiale poroso, diametro interno dei tubi, diametro dell’ugello, frazione di riempimento, lunghezza del loop, potenza termica, slip ratio delle velocità, temperatura del fluido. Il rack destinato ai voli parabolici per microgravità simulata è stato progettato e costruito seguendo gli stringenti requisiti imposti da Novespace, la compagnia che organizza i voli parabolici per conto dell’Agenzia Spaziale Europea. Diversa documentazione è stata inviata e aggiornata in base alla risoluzione delle diverse problematiche affinché l’esperimento potesse essere accettato a bordo dell’aereo. Il rack è composto da una lastra base di alluminio spessa 6 mm tagliata secondo le specifiche per mezzo di un taglio laser a gas di azoto, sopra cui sono montate due gabbie destinate all’alloggio di due notebook e di diversi sistemi: acquisizione e controllo, idraulico, elettrico e alcuni componenti elettronici. Il dispositivo CJL è alloggiato all’interno di un contenitore appositamente realizzato in grado di resistere a una forza equivalente di 13.5 g ed evitare perdite di liquido all’esterno. Un riscaldatore elettrico ceramico è stato installato alla base dell’evaporatore e 14 termocoppie installate nei punti più rilevanti per effettuare le misure di temperatura. Un alimentatore da 240W è stato usato per alimentare il riscaldatore e posto in serie con un dimmer che permette il controllo della potenza per mezzo di un sistema PWM (Pulse Width Modulation). È inoltre presente un sensore di pressione e un accelerometro tri-assiale. Il sistema idraulico è stato ampiamente testato in condizioni di lavoro ottimali e in condizioni di non funzionamento critico delle ventole del radiatore per verificare il margine di tempo a disposizione per un intervento di spegnimento manuale nel caso di massima potenza, e nel caso i sistemi di controllo automatico non funzionassero. Un CompactRIO (Real time input output acquisition system) NI 9074 e i moduli di interesse sono stati installati e programmati attraverso un software appositamente realizzato per una sperimentazione a terra rapida e “leggera”. Dopo il completamento del rack è stato svolto uno studio sperimentale del CJL al variare di potenza, temperatura del condensatore e orientamento. Dai risultati e dai calcoli effettuati sulla resistenza termica equivalente del circuito la miglior condizione operativa risulta essere quella con orientamento orizzontale e temperatura del condensatore di 45°C a basse potenze. Quando posta in verticale con evaporatore in basso le performances diminuiscono sensibilmente mentre quando posto in verticale con evaporatore in alto è stata notata una rapida ascesa di temperature e pressioni indicanti il verificarsi di dryout ad ogni potenza. Ulteriori studi sono richiesti sia sullo sviluppo del modello sia dall’investigazione sperimentale. È quindi possibile, nel modello: • Rimuovere l’ipotesi di fluido isotermo nel modello. • Considerare anche il volume dell’evaporatore, non trascurabile. • Non trascurare la velocità del liquido a livello della matrice porosa dell’evaporatore. • Studiare il dispositivo con una simulazione a parametri concentrati (Lumped Parameters Networking Approach) dividendo il sistema in più nodi. Mentre dal punto di vista sperimentale è possibile: • Sperimentare livelli di temperatura del condensatore superiori e inferiori a quelli qui analizzati. Possibilmente anche quelli criogenici. • Studio in condizioni di microgravità, come già programmato. • Aumento delle potenze fornite in orientamento orizzontale analizzando quando è raggiungibile il dryout. • Studio visivo per mezzo di videocamera ad alta velocita e ad infrarossi. • Sperimentazione con diversi fluidi e filling ratio. • Studio di diversi tipi di eiettori ed evaporatori.