1. I Tubi di CaloreI Tubi di Calore
Principio di funzionamento
Applicazioni
Ordine degli Ingegneri della Provincia di Torino
Commissione Ingegneri per l’Innovazione
Achille Mannini
22/11/2012

2. Principio di funzionamento
• Un Tubo di Calore (Heat Pipe = HP)
trasferisce rilevanti quantità di calore
fra punti anche distanti fra loro con
piccole differenze di temperatura.
• La conducibilità termica della heat
pipe raggiunge un valore di circa 100
volte superiore a quella del rame
evaporatore
condensatore
Liquido
Struttura Wick
vapore
condensazione sez. adiabatica evaporazione
Sezione di evaporazione: si ha
volte superiore a quella del rame
(400 W/m/K) con una inerzia termica
6 volte inferiore rispetto a quella del
rame.
• Nella sua configurazione più
semplice, l’Heat Pipe consiste in un
tubo metallico. Dopo avervi praticato
il vuoto, vi si introduce un liquido di
lavoro e viene infine sigillato alle
estremità.
Sezione di evaporazione: si ha
l’evaporazione del liquido con sottrazione
di calore.
Sezione adiabatica: il vapore migra verso
la parte meno calda sotto l’effetto del
dislivello di pressione.
Sezione di condensazione: nell’estremità
meno calda del tubo (condensatore) il
vapore condensa, cedendo il calore
all’esterno.
2A. Mannini I Tubi di Calore

3. • Termosifone
Se il tubo è installato col
condensatore in posizione più alta
dell’evaporatore, la condensa, per
effetto della gravità, ritorna
all’evaporatore e qui, rievaporando,
ripete il ciclo .
Circolazione del fluido:
termosifone o capillarità
Schema di HP
Termosifone Schema di HP
con wick
ripete il ciclo .
• Capillarità
Se il condensatore è a livello pari o
inferiore rispetto all’evaporatore, il
liquido viene trasferito grazie
all’effetto capillare esercitato da uno
strato di materiale poroso (wick) che
ricopre la superficie interna del tubo.
Questo garantisce la circolazione del
fluido anche in assenza di gravità
3A. Mannini I Tubi di Calore
Particolare del wick
Alcuni tipi di wick
Sinterizzato Grooved

4. Pressione Capillare
Materiale del tubo
Pressione capillare
• Il massimo incremento di pressione
capillare sviluppato dal wick é dato da:
dove:
σ tensione superficiale del fluido di
R
Pcapillare
θσ cos2 ⋅⋅
=∆
θ
θ
σ tensione superficiale del fluido di
lavoro
R raggio medio dei pori del wick
θ angolo di contatto fra il liquido ed il
wick.
• Al crescere della quantità di calore
immessa nell’evaporatore, crescono
anche la portata del fluido e la caduta di
pressione nel circuito del tubo di calore.
4A. Mannini I Tubi di Calore
θ
Materiale del tubo
• Abitualmente il materiale è rame,
alluminio o acciaio inossidabile.
Liquido che bagna Liquido che non bagna

5. Il fluido di lavoro
Il materiale del wick
Fluido
Range
operativo
[°C]
Elio -271 -269
Azoto -203 -160
Ammoniaca -60 100
Pentano -20 120
• Fluido di lavoro
Il fluido di lavoro viene scelto in
base al livello operativo della
temperatura ed alla compatibilità
col materiale del tubo di calore.
Materiale
del
wick
Raggio
pori
[mm]
FM1006 0,04
FM1205 0,08
Nickel polvere
200 µ
0,38
A. Mannini I Tubi di Calore 5
Pentano -20 120
Acetone 0 120
Metanolo 10 130
Etanolo 0 130
Eptano 0 150
Acqua 30 200
Mercurio 250 650
Potassio 500 1000
Sodio 600 1200
Litio 1000 1800
Argento 1800 2300
col materiale del tubo di calore.
• Materiale del wick
Il wick può essere di tipo metallico
o sintetico ed è scelto per la sua
compatibilità con le altre parti e
per la capacità di esercitare una
pressione capillare sul fluido in
condizioni contrarie alla gravità.
200 µ
Nickel polvere
400 µ
0,04
Nickel fibra 0,01
Nickel feltro 0,17
Nickel schiuma 0,23
Rame polvere 0,009
Rame schiuma 0,21
Fosforo/bronzo 0,021
Titanio 0,015

6. Limiti operativi degli HP
• Il campo operativo degli Heat Pipes è limitato
dai seguenti fenomeni:
– Capillarità;
– Viscosità (e Pressione di Vapore);
– Sonicità;
– Entrainment;
– Ebollizione.
• La somma di tutte le perdite di pressione del
fluido deve essere sempre inferiore al ∆Pcapillare
max. In caso contrario il wick si secca e lemax. In caso contrario il wick si secca e le
prestazioni del dispositivo si riducono
sensibilmente.
• Alle basse temperature la pressione di vapore
del fluido nell’evaporatore è modesta e può
non essere sufficiente a contrastare i contributi
viscosi e gravitazionali, impedendo l’avvio del
dispositivo.
• A velocità del fluido elevate (generalmente
superiori a Mach=0,3) le perdite di pressione
nella linea di vapore devono essere calcolate
tenendo conto della comprimibilità del fluido.
A. Mannini I Tubi di Calore 6
• L’Entrainment è il disturbo con cui ad alta
velocità la linea di vapore agisce su quella del
liquido (di direzione opposta) intralciandone il
flusso e provocando un deciso decadimento
delle prestazioni.
• Laddove venga superato il limite di ebollizione,
il dispositivo si ritrova ad operare con tutto il
fluido in fase vapore, avendo perduto i vantaggi
connessi al cambiamento di fase; le prestazioni
HP, superato il punto di ebollizione, calano
drasticamente.

7. Vantaggi degli HP
Gli Heat Pipe
– non hanno parti meccaniche in movimento
– non richiedono alcuna manutenzione
– hanno generalmente peso inferiore rispetto ai sistemi termici che– hanno generalmente peso inferiore rispetto ai sistemi termici che
sostituiscono (costituiti da pompe, scambiatori di calore, sensori,
ventilatori, accumulatori etc…).
A. Mannini I Tubi di Calore 7

8. Un’evoluzione dei tradizionali HP:
i Loop Heat Pipe
• La configurazione a ciclo comunemente chiamata
Loop Heat Pipe (LHP) è caratterizzata da prestazioni
superiori a quelle dei tradizionali Heat Pipe.
• I Loop Heat Pipe possiedono un evaporatore ed un
condensatore collegati da due tubazioni: una linea
vapore ed una linea liquido. Uno strato di wick è
presente solo nell’evaporatore.
• La figura in alto rappresenta lo schema funzionale di
un tipico Loop Heat Pipe con evaporatore di forma
evaporatore sorgente di calore
linea rimozione
vapore (grooves)
wick
camera di
compensazione
linea liquido
condensatore
linea vapore
pozzo di calore
LHP con evaporatore cilindrico
un tipico Loop Heat Pipe con evaporatore di forma
cilindrica. In basso è rappresentato lo schema di un
Loop Heat Pipe con evaporatore di forma piatta.
• Le caratteristiche principali dei Loop Heat Pipe, che
superano alcuni limiti degli Heat Pipes tradizionali,
sono:
o possibilità di trasferire calore a distanze maggiori;
o eliminazione del fenomeno dell’entrainment;
o ottima adattabilità alla geometria dei componenti
da raffreddare.
8A. Mannini I Tubi di Calore
LHP con evaporatore cilindrico
LHP con evaporatore piatto

9. Cenni storici
• Il principio generale di funzionamento degli Heat Pipe basati sull’effetto della
gravità (tipo termosifone) risale alla prima metà del XIX secolo.
• Il primo prototipo di Heat Pipe con effetto capillarità fu brevettato da R.S. Gaugler
della General Motors nel 1942. L’applicazione di tale dispositivo era legata ad un
sistema di raffreddamento.
• Nel 1963 George Grover studiò e dimostrò presso il Los Alamos National
Laboratory I benefici derivanti dall’impiego della capillarità.
• La prima applicazione degli Heat Pipe in un programma spaziale ebbe lo scopo di• La prima applicazione degli Heat Pipe in un programma spaziale ebbe lo scopo di
stabilire un equilibrio termico dei trasponder di un satellite. In tal caso gli Heat
pipe consentirono l’equalizzazione delle temperature fra la faccia del satellite
esposta al sole, caratterizzata da temperature altissime, e quella rivolta verso lo
spazio a temperature estremamente basse; se non si interviene per ridurre
drasticamente la differenza di temperatura, si hanno gravi problemi di affidabilità
ed accuratezza degli strumenti. In quell’occasione furono realizzati per la prima
volta degli Heat Pipe a capacità variabile per il controllo attivo dei flussi di calore.
9A. Mannini I Tubi di Calore

10. Applicazioni
La tecnologia degli Heat Pipe ha avuto un numero di applicazioni nei campi più
disparati, tuttora in continua crescita.
Nonostante il principio di funzionamento degli HP sia ben noto da tempo, come già
detto, nuove soluzioni ed applicazioni sono oggetto di innovazione in molti campi.
Alcune applicazioni:
• raffreddamento dell’elettronica dei computer lap top
• raffreddamento dell'elettronica di potenza• raffreddamento dell'elettronica di potenza
• essiccatori, umidificatori
• raffreddamento stampi
• controllo termico dei satelliti
• controllo termico delle fuel cell
• materiali tessili avanzati
• controllo termico dei LED
A. Mannini I Tubi di Calore 10

11. Applicazioni realizzate
• Loop Heat Pipe per il raffreddamento delle
CPU dei laptop
Negli ultimi venti anni, la grande diffusione
di laptop e computer portatili in genere, ha
comportato un grande sviluppo nell’adozione
dei LHP. Attualmente sono in commercio LHP
con capacità dissipative di 70 – 100 W.
11A. Mannini I Tubi di Calore
• Loop Heat Pipe e Vapor Chamber
per il raffreddamento di scatole
elettroniche
La particolare geometria
dell’evaporatore del LHP consente
un ottimo accoppiamento con la
scatola elettronica.
Se necessario, lo scambio termico
nel condensatore può essere
accresciuto mediante alettatura.

12. • Heat Pipe come sistema di condizionamento di tunnel
Nelle linee della Metropolitana di Londra gli Heat Pipe sono utilizzati come veicolo di
trasferimento del calore generato all’interno di tunnel verso il sottosuolo utilizzato come
pozzo di calore.
• Heat Pipe in reattori nucleari e depositi di scorie
La presenza di isotopi radioattivi in decadimento può generare consistenti flussi di calore,
anche per lunghi periodi. L’impiego degli Heat Pipe si è dimostrato efficace anche in
questa applicazione.
Applicazioni realizzate
A. Mannini I Tubi di Calore 12
questa applicazione.
• Heat Pipe in impianti chimici
La capacità degli Heat Pipe di mantenere una temperatura costante viene utilizzata in
impianti chimici che necessitano di una accurata regolazione termica al fine di produrre
reazioni chimiche controllate. L’adozione di Heat Pipe a conduttanza variabile permette di
ottenere un controllo non solo su un unico valore (temperatura di cambiamento di fase
del liquido impiegato), ma su una curva di funzionamento.

13. • Stabilizzazione del Permafrost
Le fondazioni di grande strutture basate sul
permafrost possono incontrare grandi
criticità allorché si verificano riscaldamenti
anche sporadici del terreno che portano allo
scioglimento del permafrost.
Nella Trans-Alaska Pipeline, il calore
generato dall’attrito e dalla turbolenza del
petrolio che scorre nella tubazione può
essere condotto al suolo tramite i supporti
Applicazioni realizzate
essere condotto al suolo tramite i supporti
metallici e può generare la fusione del
permafrost con sprofondamento della
sezione di pipeline interessata.
Per evitare questo problema, in
corrispondenza dei supporti sono stati
piantati nel permafrost dei tubi di calore
che dissipano nell’aria il calore che
altrimenti si accumulerebbe nel terreno
ghiacciato.
Tubi di calore sono utilizzati anche per
dissipare il calore diffuso nel permafrost
dalle rotaie del Qinghai-Tibet Railway che
lo assorbono dal sole.
A. Mannini I Tubi di Calore 13

14. Applicazioni realizzate
• Solare termico
Gli Heat Pipe vengono utilizzati per trasferire
calore dal collettore solare all’acqua. I tubi
sono di rame ed il fluido utilizzato è acqua.
In questi impianti si raggiungono rendimenti
superiori del 40% rispetto ai tradizionali
pannelli piatti. Questo incremento è
piuttosto modesto ed é il risultqto di fattoripiuttosto modesto ed é il risultqto di fattori
positivi e negativi:
• migliore isolamento termico con riduzione
delle perdite convettive e conduttive
grazie alla presenza del vuoto nei tubi;
• minore assorbimento di energia solare
poiché la superficie di un insieme di tubi
tondi effettivamente esposta al sole é
minore della superficie piatta di pari
dimensioni d’ingombro totale.
A. Mannini I Tubi di Calore 14

15. • Heat Pipe per l’antighiaccio ed il
riscaldamento di strade e ponti
In figura è riportato un esempio di
applicazione degli HP per il riscaldamento
del ponte sul fiume Buffalo in Virginia
(USA). Il calore è generato da una caldaia e
trasportato mediante tubazioni in cui
scorre acqua/glicole all’evaporatore di un
sistema HP. I tubi condensatore di questo
sistema distribuiscono infine il calore sotto
Applicazioni realizzate
A. Mannini I Tubi di Calore 15
sistema distribuiscono infine il calore sotto
il manto stradale del ponte.
L’impianto è costituito da 241 heat pipe
“gravity assisted” lunghi 12 m e con
diametro interno di 13 mm.
Dopo aver provato diversi fluidi, il sistema
è stato ottimizzato con l’ammoniaca che
ha consentito una portata di calore di 2,5
kW per ogni tubo.
L’impianto è stato realizzato alla fine degli
anni ‘90.

16. Applicazioni in fase di studio
• Raffreddamento delle pale rotoriche
e dei dischi delle turbine
Nelle pale rotoriche e nei dischi si ha il
vantaggio dell’assenza del wick poiché la
sorgente di calore è localizzata nel flusso di
gas che investe la pala, mentre il pozzo di
calore è in prossimità del centro del disco. In
queste condizioni il flusso evapora
raffreddando la pala e migra verso il centro
del disco sotto l’effetto della pressione del Disco turbinadel disco sotto l’effetto della pressione del
vapore. Una volta condensato, la forza
centrifuga spinge nuovamente in alto, verso
la pala, il liquido ed il loop continua.
L’impiego dell’Heat Pipe può essere
vantaggioso anche nelle pale statoriche, ma
in questo caso la circolazione deve essere
garantita da un materiale capillare
opportunamente disposto lungo le pareti
interne del canale.
A. Mannini I Tubi di Calore 16
Disco turbina
Pala rotore turbina

17. Applicazioni in fase di studio
• Raffreddamento delle pale
statoriche delle turbine
L’impiego dell’Heat Pipe può essere
vantaggioso anche nelle pale statoriche, ma
in questo caso la circolazione deve essere
garantita da un materiale capillare
opportunamente disposto lungo le pareti
interne del canale.interne del canale.
A. Mannini I Tubi di Calore 17

18. Applicazioni in fase di studio
• Loop Heat Pipe per lo smaltimento
del calore generato dalle fuel cell
La soluzione è di grande interesse sia nelle
applicazioni aerospaziali che in quelle
commerciali. Studi teorici e sperimentali a
vario livello sono in corso presso la NASA e
vari centri di ricerca internazionali.
Serbatoi carburante utilizzati come pozzi di calore
N.4 evaporatori (2+2) a contatto con le superfici inferiore
e superiore della fuel cell
vari centri di ricerca internazionali.
Recentemente anche la Regione Piemonte
ha finanziato uno studio di fattibilità per il
raffreddamento di fuel cell istallate su un
velivolo (vedi figura).
A. Mannini I Tubi di Calore 18
Serbatoi carburante utilizzati come pozzi di calore