Heat pipe
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Un heat pipe (condotto termico) è un meccanismo di scambio di calore che può trasportare delle grandi quantità di calore con una differenza molto piccola nella temperatura fra le interfacce calde e fredde.
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[modifica] Costruzione e funzionamento
Un heat pipe (condotto termico) tipico è un tubo (cilindro cavo) di metallo termoconduttore, ad esempio rame o alluminio, chiuso, contenente una piccola quantità di "liquido refrigerante" quali acqua, etanolo o mercurio; il resto del tubo è riempito dal vapore del liquido, in modo che non siano presenti altri gas.
Un heat pipe serve per trasferire calore da un estremo (caldo) all'altro (freddo) del condotto, per mezzo dell'evaporazione e condensazione del refrigerante. L'estremo caldo, a contatto con una sorgente di calore, cede calore al liquido refrigerante, che vaporizza e perciò aumenta la pressione del vapore nel tubo. Inoltre, il calore latente di vaporizzazione assorbito dal liquido fa diminuire la temperatura all'estremo caldo del cilindro. La pressione del vapore vicino all'estremo caldo è più alta di quella d'equilibrio all'estremo freddo, perciò questa differenza di pressione fa sì che ci sia un trasferimento molto veloce di vapore verso l'estremo freddo, dove il vapore in eccesso rispetto all'equilibrio condensa, cedendo calore all'estremo freddo. Se ci fossero altri gas che non condensano, questi potrebbero rallentare il movimento del vapore sopra descritto e rendere meno efficiente il trasferimento di calore, specialmente a temperature basse, dove la pressione del vapore è bassa anch'essa. Il moto delle molecole di vapore è approssimativamente quello della velocità del suono (circa 300 m al secondo) e, in assenza di altri gas, questa è la velocità di trasferimento limite del calore nell'heat pipe. In pratica, però, la velocità delle molecole di vapore dipende dalla velocità di condensazione del vapore stesso all'estremo freddo. Il liquido refrigerante rifluisce quindi all'estremo caldo del tubo: se l'heat pipe è orientato verticalmente (con l'estremo caldo in basso), è sufficiente la forza di gravità, altrimenti si sfrutta l'azione di capillarità delle pareti del cilindro.
Nella fabbricazione non c'è necessità di creare il vuoto nel condotto. E' sufficiente far bollire il liquido di riempimento nella heat pipe finché il vapore che ne risulta faccia uscire dal condotto i gas che non condensano, e quindi sigillarne l'estremità.
Una proprietà interessante delle heat pipes è la temperatura alla quale sono efficienti. Ad una prima valutazione si potrebbe ritenere che una heat pipe caricata con acqua inizi a funzionare solo al raggiungimento della temperatura di 100°C all'estremità calda, temperatura in cui l'acqua bolle e inizia il trasferimento di massa che è alla base del funzionamento. Si deve invece notare che la temperatura di ebollizione dipende sia dalla temperatura che dalla pressione, e che all'aumentare di quest'ultima la temperatura di ebollizione aumenta conseguentemente. In un condotto in cui sia stato creato il vuoto e successivamente inserita una quantità di acqua molto ridotta, la temperatura di ebollizione si avvicina agli 0°C. Per questo il trasferimento di calore inizierà quando l'estremità calda si trova a una temperatura anche solo lievemente superiore a quella dell'estremità fredda. Per la stessa ragione una heat pipe contenente acqua funzionerà anche a temperature superiori a 100°C, poiché l'aumentare della pressione al suo interno innalzerà proporzionalmente la temperaura di ebollizione dell'acqua contenuta.
La ragione principale dell'efficienza delle heat pipes dipende dalla evaporazione e condensazione del liquido contenuto, che richiede o rilascia molta più energia di quella richiesta per il semplice cambiamento di temperatura. Usando l'acqua come esempio, l'energia necessaria a far evaporare un grammo di liquido è equivalente all'ammontare di energia necessaria per innalzare la temperatura dello stesso grammo d'acqua di 540°C. Quasi tutta l'energia viene trasferita rapidamente all'estremità fredda quando il fluido vi si condensa, creando un sistema di trasferimento di calore molto efficiente e privo di parti in movimento.
Le pareti interne del tubo sono fatte in modo da favorire la risalita per capillarità del fluido refrigerante; ciò viene realizzato, ad esempio, applicando per sinterizzazione metallo in polvere sul tubo o ricavando una serie di scanalature parallele all'asse del tubo; ma, in linea di principio, potrebbe essere il materiale di cui è fatto il tubo a favorire la risalita per capillarità del refrigerante. Se l'heat pipe è inclinato con l'estremità riscaldata in basso, non è indispensabile alcun rivestimento delle pareti interne. In questo caso il fluido refrigerante rifluisce semplicemente giù lungo il tubo. Questo tipo di heat pipe è conosciuto come tubo di Perkins.
Gli heat pipe non contengono parti in movimento e quindi non richiedono manutenzione, anche se heat pipe nei quali il fluido refrigerante è un gas senza condensazione possono perdere gas per diffusione attraverso le pareti del tubo e alla lunga perdere efficacia, specialmente quando la pressione del vapore del fluido refrigerante è bassa.
Il metallo con il quale è fatto l'heat pipe ed il refrigerante contenuto sono scelti in base alle condizioni termiche in cui l'heat pipe deve funzionare; i refrigeranti variano dall'elio liquido per applicazioni a temperatura estremamente basse, al mercurio per applicazioni a temperatura elevata. Tuttavia, la maggior parte dei condotti termici usa l'ammoniaca o l'acqua come fluido operante.
L'heat pipe è molto efficiente nel trasferire calore, molto più di un condotto di rame pieno con la stessa sezione. Sono stati registrati flussi di calore maggiori di 230 MW/m^2 (quasi 4 volte il flusso di calore che passa dalla superficie del Sole).
Lo spessore delle pareti del condotto dipendono dalla pressione massima interna prodotta dalla vaporizzazione del fluido refrigerante che l'heat pipe deve essere in grado di sopportare con sicurezza. La pressione totale nell'heat pipe può essere controllata regolando la quantità di fluido refrigerante contenuta nel tubo. Per esempio, consideriamo un heat pipe che abbia come fluido refrigerante l'acqua che, passando dallo stato liquido a quello areiforme alla pressione di 1 atmosfera, si espande occupando 1600 volte il volume originale. Se 1/1600 del volume interno dell'heat pipe è riempito di acqua, quando tutto il liquido sarà vaporizzato, la pressione interna sarà di un atmosfera. Se la pressione di sicurezza del tubo in questione è per esempio 5 atmosfere, si può dunque riempire il tubo con una quantità di acqua uguale a 5/1600 del volume interno.
[modifica] Heat Pipe piatti
Gli heat pipe piatti sottili (spalmatori di calore) sono fatti essenzialmente come gli heat pipe cilindrici. Sono composti da un recipiente vuoto, ermeticamente sigillato, contenente un fluido refrigerante e da un sistema capillare di ricircolazione chiuso del fluido.
Gli heat pipe piatti trasportano meglio il calore attraverso le superficie degli heat pipe cilindrici (efficienti soprattutto nel trasferimento lineare, unidimensionale, di calore) e di conseguenza possono essere molto più sottili di questi (fino a 500 micrometri).
Gli heat pipe piatti sottili stanno quindi sfondando nelle applicazioni "sensibili al calore", come nei computer portatili.
[modifica] Origini
Il principio generale dei condotti termici che sfruttano solo la forza di gravità risale all'epoca del vapore (fine 1700 - inizio 1800); il vantaggio di sfruttare la diffusione per capillarità nei condotti termici fu notato per primo da George Grover al laboratorio nazionale di Los Alamos nel 1963; un articolo relativo all'argomento fu successivamente pubblicato nella rivista Physics, nel 1964.
[modifica] Limitazioni
Gli heat pipe devono essere adeguati alle condizioni di funzionamento: il materiale di cui è composto il cilindro, le sue misure ed il tipo di fluido refrigerante hanno un effetto sulle temperature ottimali in cui gli heat pipe possono funzionare.
Quando viene riscaldato oltre una determinata temperatura, tutto il fluido refrigerante nel condotto termico si vaporizza ed il processo di condensazione cessa; in tali circostanze, l'heat pipe conduce calore solamente attraverso il metallo del cilindro, riducendo quindi il suo valore di conducibilità. Ad esempio, se il cilindro, come la maggior parte degli heat pipe, è di rame (un metallo ad altissima conducibilità), e viene riscaldato oltre la temperatura massima di esercizio, continuerà a condurre il calore a circa 1/80 della conducibilità originale.
