Nowe pulsujące rurki cieplne
Samoloty napędzane paliwami kopalnymi mają ogromny wpływ na środowisko. UE dąży do osiągnięcia neutralności klimatycznej lotnictwa, a proces przechodzenia na samoloty w pełni elektryczne już trwa. Tymczasem bardziej zelektryfikowane samoloty już wzbijają się w powietrze. Jak potwierdzi każdy posiadacz laptopa, sprzęt elektroniczny generuje ciepło i wymaga wydajnego systemu odprowadzania ciepła. W przypadku napędu hybrydowego wraz z integracją coraz większej liczby komponentów elektrycznych wzrasta konieczność skutecznego chłodzenia. Odpowiedzią na tę potrzebę może być niekonwencjonalna konfiguracja wymiennika ciepła – pulsująca rurka cieplna (zwana także oscylującą rurką cieplną). To wynalezione na początku lat 90. rozwiązanie jest stosunkowo nieskomplikowane, łatwe w produkcji i wysoce wydajne w zarządzaniu bardzo gorącymi strumieniami ciepła. Jednak jego unikalny kształt i sposób działania wywołują złożone zjawiska fizyczne i jak dotąd nie dysponowano narzędziami do symulacji jego działania. W ramach finansowanego przez UE projektu PHP2 stworzono dużą bazę danych wyników testów i dostępnych narzędzi w celu poprawy zrozumienia i większego wsparcia przemysłu w fazie przedprojektowej.
Pulsujące rurki cieplne: nowy kierunek w odprowadzaniu ciepła
Rurki cieplne składają się z rury zawierającej płyn (wodę lub czynniki chłodnicze), który paruje po podgrzaniu przez źródło ciepła. W konwencjonalnych rurkach cieplnych para wodna powstała przy źródle ciepła przemieszcza się przez rurkę i skrapla się przy źródle zimna. Powstała w ten sposób ciecz wraca następnie do źródła ciepła pod wpływem grawitacji lub zjawiska kapilarnego. Dla pary i cieczy są to osobne ścieżki. Według koordynatorki projektu Gaëlle Mouret z Capgemini Engineering „pulsujące rurki cieplne to pętle w konfiguracji sinusoidalnej częściowo wypełnione cieczą, a częściowo parą. Nadal występuje parowanie przy źródle ciepła i skraplanie przy źródle zimna, ale pęcherzyki pary i cieczy się mieszają. Zmiana stanu cieczy powoduje nierównoważne zmiany ciśnienia w mikroskali, wywołując oscylację pęcherzyków”. Brak narzędzi do symulacji tego działania stanowił przeszkodę podczas procesu projektowania. To już jednak się zmieniło.
Kompleksowe narzędzia modelowania na podstawie złożonych danych eksperymentalnych
Badaniem i rozwojem pulsujących rurek cieplnych zajmowało się głównie środowisko akademickie. Stworzenie udanych prototypów było sporym wyzwaniem, a wiele początkowych projektów się nie sprawdziło. Ostatecznie 10 działających prototypów wykorzystano w szeroko zakrojonej kampanii badawczej, której baza danych została wykorzystana do rozwoju i walidacji dwóch narzędzi do projektowania wstępnego. Model fizyczny 1D opracowany w projekcie PHP2 umożliwia szczegółową symulację dynamicznego zachowania pulsujących rurek cieplnych. Dane obliczenie trwa około godziny. „Szeroko zakrojona kampania badawcza pozwoliła na stworzenie zredukowanego modelu matematycznego wykorzystującego uczenie maszynowe, opracowanego na podstawie bazy danych testowych i zwalidowanego z wykorzystaniem modelu fizycznego 1D. Na podstawie 11 parametrów wejściowych rozwiązanie oblicza wydajność pulsującej rurki cieplnej (tj. jej odporność termiczną) w czasie krótszym niż jedna sekunda z błędem na poziomie około 20 %, znacznie przekraczając nasz pierwotny cel wynoszący 50 %”, wyjaśnia Mouret. Zastosowanie ogniw paliwowych w bardziej zelektryfikowanych samolotach będzie wymagało zaawansowanego systemu odprowadzania ciepła. „Pulsujące rurki cieplne to obiecująca technologia chłodzenia, która znajdzie zastosowanie w bardziej zelektryfikowanych samolotach. Narzędzia do wstępnego projektowania i baza danych testowych projektu PHP2 sprawią, że pulsujące rurki cieplne wyjdą ze sfery badań akademickich i zostaną wykorzystane w projektach przemysłowych, wspierając czystszy i bardziej ekologiczny transport lotniczy”, podsumowuje Mouret.
Słowa kluczowe
PHP2, rurki cieplne, pulsujące rurki cieplne, odprowadzanie ciepła, bardziej zelektryfikowany samolot, napęd hybrydowy, ogniwa paliwowe, w pełni elektryczny samolot, uczenie maszynowe, oscylująca rurka cieplna
