L'heat pipe è un contenitore a tenuta stagna, di solito a forma di tubo (in inglese si traduce "pipe"), che permette di trasferire calore (in inglese "heat") da un punto più caldo a un punto più freddo. L'animazione che segue ne illustra schematicamente il principio di funzionamento.
Il tubo è parzialmente riempito con una sostanza liquida che si raccoglie nel suo punto più basso per effetto della forza di gravità.
Riscaldando la zona in cui è presente il liquido se ne provoca l'evaporazione. Il calore assorbito nella transizione di fase liquido-vapore viene chiamato calore latente di vaporizzazione e può essere calcolato applicando la seguente relazione
Qvap = ΔHvap * n
dove
Qvap è il calore latente di vaporizzazione espresso in J
ΔHvap è l'entalpia di vaporizzazione espressa in J mol-1
n è la quantità di liquido vaporizzato espressa in moli
Essendo la pressione all'interno del tubo vincolata dalla temperatura del punto più freddo, una parte del vapore generato condensa in quel punto rilasciando calore e innalzandone la temperatura. Il calore rilasciato è l'inverso del calore latente di vaporizzazione e può essere valutato applicando la seguente relazione
Q = - Qvap = - ΔHvap * n
dove
Q è il calore liberato nel processo di condensazione espresso in J
Qvap è il calore latente di vaporizzazione espresso in J
ΔHvap è l'entalpia di vaporizzazione espressa in J mol-1
n è la quantità di vapore condensato espressa in moli
A questo punto il liquido scende verso la zona calda per effetto della forza di gravità e il processo si ripete.
Il funzionamento dell'heat pipe richiede la coesistenza della fase liquida e della fase vapore.
Per questo motivo la temperatura minima non deve essere mai inferiore al punto di congelamento della sostanza contenuta nell'heat pipe altrimenti compare la fase solida e il ritorno alla sorgente calda per effetto della forza di gravità risulta impedito.
La temperatura massima a cui il calore può essere trasferito è sempre inferiore a quella in cui la fase liquida scompare ed è presente la sola fase vapore. Entro certi limiti è possibile modificare questa temperatura variando la quantità di sostanza contenuta nell'heat pipe. Bisogna comunque tener conto del fatto che all'aumentare della temperatura a cui il calore viene trasferito, cresce la pressione all'interno dell'heat pipe raggiungendo facilmente pressioni difficilmente gestibili a costi accettabili.
L'heat pipe oltre a presentare questi limiti fisici, deve soddisfare anche un vincolo chimico di stabilità in temperatura. Il composto non deve alterarsi nell'intervallo termico in cui lavora l'heat pipe. Naturalmente, se il calore viene fornito mediante una sorgente ad alta temperatura, bisogna tener conto dell'eventualità di surriscaldamento del vapore.
Il requisito di stabilità termica rende l'acqua uno dei migliori candidati per applicazioni robuste ed economiche. Ma se dal punto di vista chimico risulta un composto vincente, dal punto di vista fisico è difficilmente applicabile per trasferire calore a temperature superiori a 200°C perchè la pressione salirebbe rapidamente a livelli proibitivi.
Il tubo è parzialmente riempito con una sostanza liquida che si raccoglie nel suo punto più basso per effetto della forza di gravità.
Riscaldando la zona in cui è presente il liquido se ne provoca l'evaporazione. Il calore assorbito nella transizione di fase liquido-vapore viene chiamato calore latente di vaporizzazione e può essere calcolato applicando la seguente relazione
Qvap = ΔHvap * n
dove
Qvap è il calore latente di vaporizzazione espresso in J
ΔHvap è l'entalpia di vaporizzazione espressa in J mol-1
n è la quantità di liquido vaporizzato espressa in moli
Essendo la pressione all'interno del tubo vincolata dalla temperatura del punto più freddo, una parte del vapore generato condensa in quel punto rilasciando calore e innalzandone la temperatura. Il calore rilasciato è l'inverso del calore latente di vaporizzazione e può essere valutato applicando la seguente relazione
Q = - Qvap = - ΔHvap * n
dove
Q è il calore liberato nel processo di condensazione espresso in J
Qvap è il calore latente di vaporizzazione espresso in J
ΔHvap è l'entalpia di vaporizzazione espressa in J mol-1
n è la quantità di vapore condensato espressa in moli
A questo punto il liquido scende verso la zona calda per effetto della forza di gravità e il processo si ripete.
Il funzionamento dell'heat pipe richiede la coesistenza della fase liquida e della fase vapore.
Per questo motivo la temperatura minima non deve essere mai inferiore al punto di congelamento della sostanza contenuta nell'heat pipe altrimenti compare la fase solida e il ritorno alla sorgente calda per effetto della forza di gravità risulta impedito.
La temperatura massima a cui il calore può essere trasferito è sempre inferiore a quella in cui la fase liquida scompare ed è presente la sola fase vapore. Entro certi limiti è possibile modificare questa temperatura variando la quantità di sostanza contenuta nell'heat pipe. Bisogna comunque tener conto del fatto che all'aumentare della temperatura a cui il calore viene trasferito, cresce la pressione all'interno dell'heat pipe raggiungendo facilmente pressioni difficilmente gestibili a costi accettabili.
L'heat pipe oltre a presentare questi limiti fisici, deve soddisfare anche un vincolo chimico di stabilità in temperatura. Il composto non deve alterarsi nell'intervallo termico in cui lavora l'heat pipe. Naturalmente, se il calore viene fornito mediante una sorgente ad alta temperatura, bisogna tener conto dell'eventualità di surriscaldamento del vapore.
Il requisito di stabilità termica rende l'acqua uno dei migliori candidati per applicazioni robuste ed economiche. Ma se dal punto di vista chimico risulta un composto vincente, dal punto di vista fisico è difficilmente applicabile per trasferire calore a temperature superiori a 200°C perchè la pressione salirebbe rapidamente a livelli proibitivi.
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