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Tesi etd-01192019-192029


Thesis type
Tesi di laurea magistrale
Author
FERRARA, ANDREA
URN
etd-01192019-192029
Title
Design and Test of a peculiar Evaporator to compare differently coated Wicks for Loop Heat Pipe Applications
Struttura
INGEGNERIA CIVILE E INDUSTRIALE
Corso di studi
INGEGNERIA AEROSPAZIALE
Commissione
relatore Prof. Filippeschi, Sauro
correlatore Dott. Iorio, Carlo Saverio
Parole chiave
  • evaporatore
  • evaporator
  • etanolo
  • ethanol
  • graphene
  • grafene
  • wick
  • loop heat pipe
Data inizio appello
19/02/2019;
Consultabilità
secretata d'ufficio
Riassunto analitico
I sottosistemi di controllo termico svolgono un ruolo fondamentale nella vita di tutti i giorni. Basti pensare agli impianti di riscaldamento e condizionamento presenti nelle abitazioni o nei mezzi di trasporto come auto, treni ed aerei. A questi vanno aggiunti i sistemi di raffreddamento progettati per evitare il surriscaldamento di componenti elettronici; un esempio banale è la ventola di un computer. Abbiamo imparato a conoscere ed affrontare tutte le problematiche relative a questi sottosistemi sulla Terra, ma l’ambiente spaziale introduce nuove sfide a causa delle sue condizioni estreme. Siamo costretti a tenere in considerazione il vuoto (e quindi l’assenza di convezione) e le brusche variazioni di temperatura durante le eclissi.
Le temperature dei componenti di un satellite devono essere mantenute in un preciso intervallo durante tutte le fasi della missione. Per questo motivo è necessario utilizzare una tecnica di controllo termico, che può essere passiva o attiva. I sistemi passivi hanno un costo contenuto e sono in genere progettati per mantenere una bassa temperatura. Tra questi, le Loop Heat Pipes (LHP) sono dispositivi molto interessanti ed efficienti: un sistema a circuito chiuso trasporta il calore in eccesso, tipicamente proveniente da dispositivi elettrici, verso una superficie più fredda, che può essere un radiatore o un dissipatore di calore, per mezzo di gradienti di temperatura. Il fenomeno fisico per cui è possibile lo scambio termico senza nessun apporto energetico esterno si basa unicamente sui passaggi di stato di evaporazione e condensazione del liquido refrigerante interno.
Il “motore” di una LHP è il wick, un mezzo poroso riscaldato dal calore in eccesso in cui il fluido evapora. In questa tesi è stato progettato e realizzato un evaporatore che permette di sostituire il wick con facilità. Lo scopo è quello di confrontare le prestazioni di wick rivestiti in grafene con quelle di wick standard. Quindi è stato realizzato un set-up che comprende (oltre all’evaporatore) le linee di trasporto, le linee di vuoto, una pompa a infusione a siringa, un condensatore, un serbatoio e numerosi sensori di temperatura e di pressione. A seconda della procedura con cui si effettua il test, i dati raccolti hanno permesso di studiare il wick come una resistenza idrodinamica o una pompa capillare.

The thermal control subsystems play a fundamental role in everyday life. Just think of the heating and cooling systems in houses or in transportation such as cars, trains and airplanes. To these, the cooling systems designed to prevent overheating of electronic components must be added; a trivial example is the fan of a computer. We have learned to know and deal with all the issues related to these subsystems on Earth, but the space environment introduces new challenges due to its extreme conditions. We are forced to keep in consideration the vacuum (and therefore the absence of convection) and the abrupt temperature variations during the eclipses.
During all the phases of the mission, the temperatures of a spacecraft components must be kept in a precise range. For this reason, it is necessary to use a thermal control technique, which can be passive or active. Passive systems are cheap and are generally designed to keep a low temperature. Among these, the Loop Heat Pipes (LHP) are very interesting and efficient devices: a closed loop system carries excess heat, typically coming from electrical devices, to a colder surface, which can be a radiator or a heat sink, by means of temperature gradients. The physical phenomenon for which thermal exchange is possible without any external energy input is based on the evaporation and condensation of the internal fluid.
The "engine" of a LHP is the wick, a porous medium heated by excess heat in which the fluid evaporates. In this thesis, an evaporator that allows to replace easily the wick has been designed and realized. The aim is to compare the performances of graphene coated wicks with those of standard wicks. Then a set-up has been realized, which includes (in addition to the evaporator) the transport lines, the vacuum lines, a syringe pump, a condenser, a reservoir and several temperature and pressure sensors. Depending on the procedure used to carry out the test, the collected data allowed to study the wick as a hydrodynamic resistance or a capillary pump.
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