Desenvolvimento de tubo de calor circuitado (Loop Heat Pipe-LHP) para aplicações espaciais

• Main Author: Nadjara dos Santos
• Other Authors: Roger Ribeiro Riehl
• Language: Portuguese
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais 2009
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m18@80/2009/04.07.18.33

Satélites artificiais são constituídos de vários equipamentos eletrônicos e mecânicos que, na maioria dos casos, dissipam calor e requerem condições térmicas de operação bastante diferenciadas. Sistemas compostos por tubos de calor circuitados-LHP são de grande confiabilidade no controle térmico de equipamentos eletrônicos, estruturas e satélites, por manterem suas temperaturas em faixas de operação bem restritas e não utilizarem partes móveis. Esses sistemas operam passivamente por efeitos de forças capilares geradas no evaporador capilar, o qual adquire calor de uma fonte quente sendo transferido a um fluido de trabalho que opera em seu estado puro. Tubos de calor circuitados são dispositivos bifásicos de transferência de calor, os quais foram estudados em ambos os casos, experimentalmente e analiticamente. Testes foram realizados em condições de laboratório para o sistema na posição horizontal e testes em condições simuladas de espaço foram realizados (em câmara de termo-vácuo e em vibração), visando avaliar a potencialidade do uso do LHP proposto em futuras missões espaciais. A qualificação do dispositivo bifásico de controle térmico foi um processo necessário e importante para o desenvolvimento dessa tecnologia. Testes de vida com o LHP foram realizados, buscando-se identificar a potencialidade de geração de gases não condensáveis no interior do LHP em virtude da interação química entre os materiais e o fluido de trabalho utilizado. Um programa computacional foi desenvolvido em que o objetivo foi obter uma ferramenta de projeto para LHPs. O programa utilizou um modelo térmico e de perda de carga hidráulica, onde ambos trabalharam de forma interativa buscando as condições ótimas de operação de uma dada geometria de LHP, aliada às condições de operação e ao fluido de trabalho. Os resultados obtidos proporcionaram a qualificação da tecnologia envolvida para fabricação de LHPs para uso espacial, baseados em testes extensivos em condições de laboratório, bem como avaliação da vida útil desses dispositivos. Os resultados ainda serviram para validar o modelo matemático concebido, o qual apresentou boa correlação com os dados experimentais, servindo assim como uma ferramenta de projeto para novos LHPs. === Artificial satellites are constituted of several electronic and mechanical equipment, which usually dissipate heat and thermal conditions of operation require quite different approach. Systems consisting of loop heat pipe-LHP are of great reliability in thermal control of electronic equipment, structures and satellites, by keeping their temperatures within very restricted operation range and uses no moving parts. Those systems operate passively by effects of capillary forces generated in the capillary evaporator, which acquires heat of a power source being transferred to a working fluid that operates in its pure state. Loop heat pipe is a two-phase heat transfer device, which they were studied in both cases, experimentally and analytically. Tests were accomplished in laboratory conditions for the system in a horizontal position and test in simulated conditions of space have also been done (in the thermal-vacuum chamber and vibration), which demand to evaluate the potentiality of use the proposed LHP in future space missions. The qualification of the two-phase thermal control device was necessary and very important process for the development of this technology. Life testing with LHP has been done, being a demand to identify the potentiality of non-condensable gases generation in LHP by virtue of the chemical interaction between the working fluid and materials used. A computer program was developed in which the objective was to obtain a design tool for LHPs. The program has used a thermal and a hydraulic pressure drop models, where both worked in interactive way seeking the optimum conditions of operation for a given geometry of LHP, allied to the conditions of operation and working fluid. The results provided a description of the technology involved in making LHPs for space, based on an extensive testing in laboratory conditions, as well as assessment of the useful life of the devices. The results also served to validate the developed mathematical model, which showed good correlation with the experiments, serving as a tool to design new LHPs.