La presente proposta di progetto, avviata e coordinata da Argotec, intende introdurre un avanzamento nella tecnologia dello scambio termico tra superfici, studiando e realizzando dispositivi per il trasporto del calore di tipo ‘passivo’, detti Heat Pipe (HP). Il termine passivo indica la mancanza di organi meccanici che, prendendo parte al trasferimento di calore (es. Pompe), riducono l’efficienza e aumentano il peso complessivo del sistema. In particolare, utilizzando dei dispositivi caratterizzati da un minor peso e ingombro, è possibile soddisfare i requisiti operativi stringenti imposti dal settore aeronautico e spaziale, nei quali la massa gioca un ruolo fondamentale nel costo complessivo del sistema e nel calcolo delle risorse (es. combustibile). Inoltre, la semplicità di progettazione e produzione che caratterizzano questo tipo di sistema termico si traduce in un aumento di affidabilità e in una riduzione degli interventi manutentivi ad esso legati, rendendo la tecnologia Heat Pipe un’ottima soluzione al problema del trasferimento e dissipazione del calore.

Il progetto è frutto di una collaborazione tra aziende PMI (end-user), grande impresa (end-user) e centri di ricerca dislocati sul territorio della regione Piemonte. Per il progetto HEAT, Argotec è la PMI capofila del consorzio, con i seguenti partner:

• Alenia Aermacchi (grande impresa);
• Ditta Giovanni Grasso (PMI – manifatturiera);
• Politecnico di Torino (centro di ricerca);
• Università degli studi di Torino (centro di ricerca).

Il consorzio di cui sopra è stato scelto sulla base di comuni future opportunità di sviluppo e commercializzazione del sistema oggetto di richiesta di finanziamento.

Funzionamento dell’Heat Pipe:

L’HP è uno scambiatore di calore passivo in grado di trasferire grandi quantità di calore da un corpo caldo a uno più freddo. Il meccanismo di funzionamento di una HP prevede la presenza di un fluido di lavoro che, cambiando di fase (liquido-vapore), sottrae calore al corpo caldo e lo restituisce a quello freddo.

Le Heat Pipe si suddividono principalmente in due categorie: assiali e di tipo loop.

Le HP assiali sono dei cilindri di dimensioni che variano a seconda dell’applicazione finale, al cui interno coesistono le due fasi del fluido (liquida e vapore). Nel progetto saranno usate HP con groove (microcanali) assiali all’interno.

Nelle HP in circuito, dette Loop Heat Pipe (LHP), i condotti delle fasi vapore e liquido sono separati, rendendo il trasporto del calore più efficiente. Inoltre, le LHP possono essere utilizzate per trasportare calore tra due corpi distanti, grazie alla loro forma a circuito. Di contro, esse richiedono l’uso di un componente aggiuntivo denominato ‘wick’, la cui struttura e funzionamento saranno spiegati in seguito all’interno del presente Allegato, che ne riduce l’affidabilità e ne fa lievitare i costi di produzione.

Obiettivi del progetto:

Di seguito la lista degli obiettivi principali del progetto proposto:

1. Progettazione, produzione e sperimentazione di HP di tipo assiale con groove;
2. Studio e sperimentazione di fluidi caratterizzati da bassi livelli di tossicità con prestazioni paragonabili ai fluidi tossici e/o dannosi attualmente in commercio (ammoniaca);
3. Studio e sviluppo di un prototipo di struttura porosa (wick) ad elevata spinta capillare e compatibile con i fluidi di lavoro utilizzati nel progetto;
4. Studio, sviluppo e sperimentazione di una Loop Heat Pipe;
5. Studio e sviluppo di HP di tipo “ibrido” ovvero costituite dalla stessa struttura delle assiali, ma al cui interno le due fasi sono separate da un sottile setto cilindrico;
6. Progettazione, realizzazione e sperimentazione delle superfici di contatto tra Heat Pipe e applicazione finale (es. attacco dell’ala, moduli spaziali);

7. Progettazione, realizzazione e sperimentazione di un’interfaccia sensoristica di: monitoraggio e controllo delle prestazioni della HP; controllo termico e di potenza trasferita alle due interfacce; gestione dei transitori di Start Up;

1. Successiva integrazione tra HP, Controller e Superficie d’interfaccia.

L’integrazione sarà seguita da una campagna di testing le cui attività saranno svolte presso il laboratorio di ARGOTEC.

A valle di tale campagna di testing, si potrebbe svolgere una on-orbit demonstration del prototipo di Heat Pipe assiale grooved a bordo del satellite inglese TechDemoSat-2. A tal fine sono in corso trattative tra ARGOTEC e l’azienda inglese SURREY Satellite Thechnology LTD. Il lancio è pianificato per fine 2014 in concomitanza con le fasi conclusive del progetto HEAT. Tale attività non costituisce uno step fondamentale per la buona riuscita del progetto, ma sarebbe un’ulteriore verifica del progetto HEAT in condizioni di microgravità.

Il raggiungimento degli obiettivi elencati porterà alla produzione dei seguenti prototipi:

1. Heat Pipe assiale con groove;
2. Struttura porosa (wick);
3. Loop Heat Pipe;
4. Heat Pipe ibrida (con caratteristiche intermedie tra assiale e loop);
5. Superfici di interfaccia (bordo d’attacco alare – nacelle, baia avionica – modulo spaziale);
6. Dispositivo di monitoraggio e controllo delle prestazioni (Controller).

Le attività da intraprendere in fase progettuale per la realizzazione dei prototipi e la loro assegnazione ai vari membri del Consorzio saranno approfondite nelle prossime sezioni.

Vantaggi e applicazioni:

Le Heat Pipe, fulcro del nostro studio, grazie alla semplicità di funzionamento, alla ridotta manutenzione e all’altissima affidabilità, si candidano come la nuova generazione dei sistemi termici adatti ad un’ampia gamma di applicazioni in diversi campi industriali.

Le Heat Pipe possono essere utilizzate in campo aeronautico (es. trasporto del calore dal propulsore al bordo di attacco dell’ala per il de-icing) e spaziale per raffreddare la superficie esposta al sole e riscaldare quella in ombra o per il trasferimento di calore all’interno di moduli abitati.

La semplicità e l’efficienza che caratterizza questa famiglia di scambiatori termici si traduce in un’elevata applicabilità degli stessi in diversi campi  industriali. Tra i tanti, quelli più promettenti sono legati all’aumento dell’efficienza nello scambio di calore in impianti solari-termici e al controllo termico di Fuel Cells di tipo PEM (dispositivi in grado di ottenere energia elettrica attraverso una reazione elettro-chimica tra un ossidante ed un reagente).

Inoltre, il presente progetto potrà avere risvolti, a breve termine, anche nel campo delle energie rinnovabili e nell’automotive.