I tubi di calore pulsanti non sono più una «scatola nera»
I velivoli alimentati con combustibili fossili hanno un enorme impatto ambientale. L’UE si impegna a conseguire l’obiettivo di un’aviazione a impatto climatico zero. Infatti, la transizione verso velivoli interamente elettrici è già in corso. Nel frattempo, stanno spiccando il volo sempre più velivoli elettrici. Come può confermare chiunque provvisto di un laptop, le apparecchiature elettroniche generano calore e hanno quindi bisogno di un sistema di gestione termica efficiente. In presenza della propulsione ibrida e dell’integrazione di un numero crescente di componenti elettrici, cresce l’esigenza di raffreddare. Un modello di scambiatore di calore fuori dagli schemi, il tubo di calore pulsante (denominato anche tubo di calore oscillante), potrebbe essere la risposta a questa esigenza. Inventato all’inizio degli anni novanta, risulta relativamente semplice, facile da produrre e molto efficiente nella gestione di flussi di calore estremamente elevati. Tuttavia, la sua forma unica e la sua modalità di funzionamento implicano la comparsa di fenomeni fisici molto complessi. Inoltre, a oggi non sono disponibili strumenti di progettazione per simulare le sue prestazioni. Il progetto PHP2, finanziato dall’UE, ha creato una grande banca dati contenente risultati e strumenti sperimentali per approfondire le conoscenze e sostenere il settore nella fase di pre-progettazione.
Tubi di calore pulsanti: una nuova meta per la gestione termica
I tubi di calore sono costituiti da un tubo che contiene un fluido, di solito acqua o refrigeranti, che evapora quando è scaldato dalla fonte di calore. Nei tubi di calore tradizionali, il vapore prodotto in corrispondenza della fonte di calore si sposta attraverso il tubo e si condensa in prossimità della fonte fredda. Successivamente, il liquido risultante ritorna alla fonte di calore per mezzo della gravità o dell’azione capillare. Sono presenti due percorsi separati per il vapore e il liquido. Secondo la coordinatrice del progetto, Gaëlle Mouret dell’azienda Capgemini Engineering, «i tubi di calore pulsanti sono serpentine in una configurazione sinusoide riempiti in parte con un liquido e in parte con vapore. Si verificano ancora l’evaporazione presso la fonte di calore e la condensazione alla fonte fredda; tuttavia, le bolle di vapore e il liquido sono mischiati. Il cambiamento di stato del fluido origina variazioni della pressione di non equilibrio a livello di microscala, facendo oscillare le bolle.» In assenza degli strumenti per simulare le prestazioni, le parti interessate del settore si sono trovate dinanzi a un ostacolo al momento della progettazione. Adesso però la situazione è cambiata.
Strumenti di modellizzazione esaustivi derivati da dati sperimentali complessi
I tubi di calore pulsanti sono stati oggetto di studio e sviluppo principalmente nella sfera accademica. La creazione di prototipi efficienti si è dimostrata piuttosto impegnativa, accompagnata inoltre da numerosi progetti iniziali falliti. Alla fine, dieci prototipi funzionanti hanno sostenuto una vasta campagna sperimentale, la cui banca data risultante è stata utilizzata per sviluppare e convalidare due strumenti di pre-progettazione. Il modello fisico 1D di PHP2 offre una simulazione dettagliata del comportamento dinamico dei tubi di calore pulsanti. Ci vuole circa un’ora per un calcolo. «Basandoci su un’ampia campagna sperimentale, abbiamo realizzato un modello matematico ridotto che si avvale dell’apprendimento automatico, addestrato con la banca dati sperimentale e convalidato con il modello fisico 1D. Con 11 parametri di input, calcola le prestazioni di un tubo di calore pulsante, ossia la sua resistenza termica, in meno di un secondo con un errore di circa il 20 %, superando di gran lunga il nostro obiettivo iniziale del 50 %», spiega Mouret. L’utilizzo di celle a combustibile negli aeroplani più elettrici richiederà una gestione termica avanzata. «I tubi di calore pulsanti rappresentano una tecnologia di raffreddamento promettente per i velivoli più elettrici. Gli strumenti di pre-progettazione e la banca dati sperimentale di PHP2 catapulteranno i tubi di calore pulsanti oltre i confini degli studi accademici per impiegarli nei progetti industriali, a favore di un trasporto aereo più pulito ed ecologico», conclude Mouret.
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