Coupling of lumped and distributed parameter models for numerical simulation of a sintered heat pipe

Heat pipes are capillary driven two-phase heat transfer devices based on the evaporation/condensation of a working fluid. Their major advantages with respect to traditional heat transfer devices are the ability to operate against gravity and to have a greater maximum heat transport capability. A literature review is carried out in order to describe heat pipe operation and design, transfer limitations, and how various parameters affect the heat pipe’s operational characteristics. The heat pipe performances are generally investigated by lumped parameter analyses, however the interaction with heat source solid components can not be properly accounted for. For this purpose a hybrid solver, based on the integration of a heat pipe lumped parameter model with a finite volume model of the external solid where the heat pipe is embedded, is developed in order to carry out a coupled thermal analysis and cope with real technological problems. The coupling is achieved by means of the boundary condition at heat pipe/solid domain interface. A description of the heat pipe lumped parameter model, suitable for transient as well steady-state analysis, is provided, offering then a brief overview of its potential as a heat pipe design tool. The development of a hybrid solver is presented and the results are compared with a finite element analysis where the heat pipe is simulated as a bar of highly conductive material. The overall objective of this study is to supply a novel and more comprehensive tool for future heat pipe design and applications, allowing a widespread diffusion thanks to the use of free open source software package. Indeed the hybrid solver is developed in C++ language supported by the finite volume solver OpenFOAM.

Un heat pipe è un dispositivo di scambio termico costituito da un tubo sigillato in grado di trasportare una grande quantità di potenza termica sfruttando il passaggio di fase di un fluido posto al suo interno e le forze capillari sviluppate da una struttura porosa collocata sulla parete interna. Le prestazioni dell’heat pipe sono in genere stimate tramite modelli a parametri concentrati, i quali però non sono in grado di rappresentare accuratamente l’interazione tra l’heat pipe e il componente solido da raffreddare. È stato quindi sviluppato un programma per una simulazione ibrida basata sull’integrazione di un modello a parametri concentrati in un solutore a volumi finiti in modo da eseguire un’analisi termica accoppiata (ibrida). I due modelli sono legati dalle condizioni al contorno sulla superficie d’interfaccia. Dopo un breve cenno ai principi di funzionamento, ai limiti e vantaggi di un heat pipe si procede all’introduzione del modello a parametri concentrati non stazionario, spiegando come è stato accoppiato numericamente ad un solutore a volumi finiti. Infine i risultati delle analisi sono confrontati con quelli ottenuti da un modello a elementi finiti in cui l’heat pipe è modellato come un mezzo con alta conducibilità termica. L’obiettivo di questa tesi è fornire un solutore ibrido utile per un’efficiente progettazione di un heat pipe, puntando ad una sua ampia diffusione grazie all’uso di programmi open source come OpenFOAM.