Development and Validation of a Heat Pipe Lumped Parameter Model Incorporating Dynamical Wick Filling

Heat pipes are crucial components in modern thermal management systems due to their exceptional efficiency in transferring heat. A heat pipe is a sealed container that operates by utilizing the cyclical evaporation and condensation of a working fluid, driven by capillary forces that ensure fluid circulation without mechanical parts. Modeling heat pipes is challenging due to complex physical phenomena such as phase change, capillary action, and fluid dynamics. Among various modeling approaches, the lumped parameter method is particularly useful for balancing accuracy and computational efficiency. The Nuclear Reactors Group at Politecnico di Milano favors this approach for integrating heat pipes into larger systems where quick calculations are essential. This thesis aims to enhance an existing lumped parameter model by incorporating dynamic wick filling, making the model applicable to a broader range of heat pipe configurations. Additionally, the advanced model includes other phenomena such as the Marangoni effect and capillary pressure in the condenser. An isothermal approximation of vapor flow is also used and tested for validity. A significant focus of this work is on validating the enhanced model against experimental data, ensuring its performance with common working fluids like water, as well as with less common ones such as liquid metals. A major challenge was finding comprehensive experimental data for benchmarking, as literature often lacks detailed experimental setup descriptions. The proposed model performs better with liquid metals than previous models but still does not reproduce experimental results with completely satisfactory accuracy. A sensitivity analysis was conducted to determine if parameter evaluations based on empirical correlations or reasonable assumptions significantly impact the model’s results. The analysis suggests that the primary source of error is not in the parameter evaluation. The hypotheses used in deriving the model are critically examined to identify potential errors, and alternative modeling approaches are proposed for future developments.

Gli heat pipe sono componenti fondamentali nei moderni sistemi di gestione termica grazie alla loro eccezionale efficienza. Un heat pipe è un contenitore sigillato che sfrutta ciclicamente l’evaporazione e la condensazione di un fluido il cui flusso continuo è garantito dalle forze capillari all’interno di una struttura porosa. La modellazione degli heat pipe è complessa a causa dei fenomeni fisici coinvolti, come il cambiamento di fase, l’azione capillare e la dinamica dei fluidi. Tra i vari approcci di modellazione, il modello a parametri concentrati offre un ottimo bilanciamento tra accuratezza e tempi di calcolo. Il Nuclear Reactor Group del Politecnico di Milano adotta questo approccio per integrare gli heat pipe in sistemi complessi dove sono essenziali rapidi tempi di risoluzione. Questa tesi mira a migliorare un modello esistente incorporando il riempimento dinamico del wick, rendendolo applicabile a una gamma più ampia di configurazioni di heat pipe. Inoltre, è inclusa la descrizione dell’effetto Marangoni e la capillarità al condensatore, e propone l’approssimazione di un flusso di vapore isotermo. Un obiettivo cruciale è la validazione del modello rispetto ai dati sperimentali, verificandone il funzionamento sia con l’acqua che con metalli liquidi. Una complicazione è sorta nella ricerca di dati esaustivi per la validazione, poiché la letteratura spesso manca di dettagli essenziali dei setup sperimentali. Il modello proposto si comporta meglio con i metalli liquidi rispetto ai modelli precedenti, ma non riproduce ancora i risultati sperimentali con un’accuratezza del tutto soddisfacente. È stata condotta un’analisi di sensibilità per determinare se le valutazioni dei parametri basate su correlazioni empiriche influenzino significativamente i risultati. L’analisi suggerisce che la principale fonte di errore non risieda in queste valutazioni. Le ipotesi utilizzate nella derivazione del modello sono state esaminate criticamente per identificare potenziali errori e sono stati proposti approcci alternativi per futuri sviluppi.