A multi-node lumped parameter model for transient analysis of heat pipes

Passive thermal control is widely used in many engineering applications due to its high reliability and low cost. In this context, heat pipes are one of the most efficient technologies available and, consequently, one of the most used. In this work, a multi-node lumped parameter model for the transient analysis of a generic capillary driven heat pipe has been build, starting from other models already existing in literature. The model is composed by twenty ordinary differential equations, which describe the evolution of temperatures, pressures, mass flow rates, and thermal powers, during the heat pipe operation. These equations were implemented by using the forward finite differences method. The model takes into account the effects of gravity, heat pipe orientation angle, and convective thermal exchange between the internal wall of the wick and the vapor zone. Moreover, the vapor is modeled through the real gas equations. All these properties make the model versatile, and suitable to be used for heat pipes with any working fluid, in any condition. In order to obtain a validation of the model, an experiment with three heat pipes embedded in a chassis has been performed by the company Leonardo S.p.A, and the experimental results have been compared to the ones obtained numerically. Finally, after the validation, a sensitivity analysis on the most relevant geometric and structural parameters (porosity, grain radius, effective duct length) has been performed.

Il controllo termico passivo è ampiamente utilizzato in molte applicazioni ingegneristiche, in virtù della sua elevata affidabilità e del suo basso costo. In questo ambito, gli heat pipe sono una delle tecnologie più efficienti disponibili e, di conseguenza, una delle più utilizzate. In questo lavoro, è stato sviluppato, partendo da precedenti modelli già descritti in letteratura, un modello multi-nodo a parametri concentrati per l'analisi in transitorio di un generico heat pipe a struttura capillare. Il modello è composto da venti equazioni differenziali ordinarie, che descrivono l'andamento di temperature, pressioni, portate massiche e potenze termiche, durante il funzionamento dell'heat pipe. Queste equazioni sono state implementate utilizzando il metodo delle differenze finite in avanti. Il modello tiene conto degli effetti della gravità, dell'angolo di orientazione dell'heat pipe e dello scambio termico convettivo tra la parete interna del wick e la regione del vapore. Inoltre, il vapore viene modellizzato attraverso le equazioni dei gas reali. Tutte queste proprietà rendono il modello versatile e adatto ad essere utilizzato per heat pipe con qualsiasi fluido di lavoro, in qualsiasi condizione. Un esperimento con tre heat pipe incassati in uno chassis è stato eseguito dall'azienda Leonardo S.p.A, e i risultati sperimentali sono stati confrontati con quelli ottenuti numericamente, in modo da ottenere una validazione del modello. Infine, dopo la validazione, è stata eseguita un'analisi di sensitività sui parametri geometrici e strutturali più rilevanti (porosità, raggio del grano, lunghezza effettiva del condotto).