Heat pipes: novel experimental insights into the phenomenological understanding

Abstract

The present dissertation reports the most meaningful outcomes referred to global and local heat transfer investigations on different Heat Pipe devices, either wicked or wickless. The experimental campaigns have been carried out in the framework of the ESA MAP project TOPDESS (grant 4000128640/19/NL/PG/pt) through fruitful collaborations between the University of Parma and the University of Poitiers (France), the University of Pisa (Italy), the University of Brighton (United Kingdom) and the Federal University of Santa Catarina (Brazil). The newly proposed post-processing methods, which allow the estimation of thermofluidic interactions due to inner convection, are based on infrared acquisitions on the outer wall of the investigated systems. The non-intrusive feature of such techniques strongly enhances their applicative appeal in terms of experimentation since no substantial alterations of the original layouts are required. By a systematic data reduction of the evaluated quantities, which also relies on statistical approaches, interesting thermo-fluid dynamic patterns have been identified. Despite the studied devices present different geometries and thermal performances, their local behaviours have been proven to be linked by a common thread. The provided remarks are of crucial importance for the phenomenological understanding of two-phase passive heat transfer devices working under highly transient conditions. Moreover, they set the basis for the improvement and proper validation of existing numerical models, opening to reliable designing approaches and consequent large-scale applications of modern and still immature thermal management solutions. Future works are needed to fully characterize the local heat transfer in a wide range of devices and working conditions.

La presente tesi riporta i risultati più significativi riferiti a indagini di trasferimento di calore globale e locale su diversi dispositivi Heat Pipe, sia wicked che wickless. Le campagne sperimentali sono state condotte nell'ambito del progetto ESA MAP TOPDESS (sovvenzione 4000128640/19/NL/PG/pt) attraverso proficue collaborazioni tra l'Università di Parma e l'Università di Poitiers (Francia), l'Università di Pisa (Italia), l'Università di Brighton (Regno Unito) e l'Università Federale di Santa Catarina (Brasile). I nuovi metodi di post-elaborazione proposti, che consentono di stimare le interazioni termo-fluidiche dovute alla convezione interna, si basano su acquisizioni all'infrarosso sulla parete esterna dei sistemi studiati. La caratteristica non intrusiva di queste tecniche ne accresce fortemente l'attrattiva applicativa in termini di sperimentazione, poiché non sono necessarie alterazioni sostanziali dei layout originali. Attraverso una riduzione sistematica dei dati valutati, che si basa anche su approcci statistici, sono stati identificati interessanti modelli termo-fluidodinamici. Nonostante i dispositivi studiati presentino geometrie e prestazioni termiche diverse, i loro comportamenti locali si sono dimostrati legati da un filo comune. Le osservazioni fornite sono di importanza cruciale per la comprensione fenomenologica dei dispositivi di trasferimento di calore passivo bifase che lavorano in condizioni altamente transitorie. Inoltre, pongono le basi per il miglioramento e l'adeguata validazione dei modelli numerici esistenti, aprendo ad approcci progettuali affidabili e conseguenti applicazioni su larga scala di soluzioni di gestione termica moderne e ancora immature. Lavori futuri sono necessari per caratterizzare completamente il trasferimento di calore locale in un'ampia gamma di dispositivi e condizioni di lavoro.