Design and experimental analysis of a two-phase closed loop thermosyphon for cooling of electrical switchboards

The aim of this work is to propose a cheaper alternative for the cooling of electric switchboards to the traditional air conditioning systems. In this study the steady-state characteristics of a two-phase closed loop thermosyphon are experimentally and numerically studied. The two-phase closed loop thermosyphon is a self-starting, self-governing and passive device with a very low risk of failure. Prior to the experimental realization of the device, a model in MATLAB® environment is developed in order to study the heat transfer in the closed loop thermosyphon for different configurations, charges and temperatures of the ambient and of the switchboard. The model is based on mass, momentum and energy balances in the evaporator, rising tube, condenser and the falling tube. With the aid of the model, a two-phase closed loop thermosyphon was built, and several experimental tests using R-134a as refrigerant are carried out, with ΔT among the switchboard and the ambient of 10 °C and 15 °C and reaching heat transfer of the order of 60/80 W and 200/230 W respectively. Then, the experimental results are compared to the mathematical model predictions. Good agreement among the results is found, with the errors in the heat exchanged predictions lower than 45% for the low heat load configurations and lower than 33% for the high heat load ones. In this study the effect that the change of important parameters such as the temperatures of the switchboard and of the ambient and the charge of the device has on the heat exchanged is studied both experimentally and numerically. It has been found that the heat transferred increases if the temperatures increase, keeping a constant ΔT among the switchboard and the ambient, and that an increase of the charge leads to a decrease of the heat exchanged.

Lo scopo di questo lavoro è di proporre un'alternativa più economica rispetto ai tradizionali sistemi di climatizzazione per il raffreddamento dei quadri elettrici. In questo studio vengono valutate, teoricamente e sperimentalmente le prestazioni in regime stazionario di un termosifone bifase a circuito chiuso. Il termosifone a circuito chiuso bifase è un dispositivo auto-avviante, autoregolante e passivo, con bassi rischi di guasto. Prima di procedere alla realizzazione sperimentale del dispositivo è stato realizzato un modello in ambiente MATLAB® per studiare lo scambio termico per diverse configurazioni, quantità di carica e temperature dell’ambiente e dell’elemento da raffreddare. Il modello realizzato si basa sulle equazioni di conservazione della massa, della quantità di moto e dell’energia nell'evaporatore, nel tubo ascendente, nel condensatore e nel tubo discendente. Attraverso l’uso del modello, è stato progettato e realizzato, un termosifone bifase a circuito chiuso e sul quale sono stati condotti numerosi test sperimentali usando l'R-134a come refrigerante, con ΔT tra l’interno del quadro e l’ambiente di 10 °C e 15 °C, raggiungendo potenze scambiate dell’ordine di 60/80 W e 200/230 W rispettivamente. I risultati sperimentali sono quindi confrontati con le previsioni del modello. I dati numerici risultano congruenti con quelli sperimentali, con uno scostamento tra le previsioni e i dati sperimentali inferiore al 45% sul calore scambiato per le configurazioni a basso carico termico e inferiore al 33% per quelle a elevato carico termico. In questo studio è stato anche valutato, sia sperimentalmente che numericamente, l’effetto sulla quantità di calore scambiato che hanno parametri come le temperature del quadro e dell'ambiente e la massa del refrigerante contenuta nel dispositivo. Si è trovato che il calore scambiato a ΔT costante aumenta nel caso in cui le temperature di esercizio aumentino, mentre aumentando la massa di refrigerante si ha una diminuzione del calore scambiato.