Ottimizzazione del flusso di scambio termico in microgravità

31 luglio 2023

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dalla NASA

Aerei, treni, automobili... e veicoli spaziali. Mentre tutte e quattro queste innovazioni nel settore dei trasporti si basano sul carburante per produrre energia, un altro componente chiave è la gestione termica. Senza controllare la distribuzione e il flusso di calore all’interno di un sistema, come la Stazione Spaziale Internazionale e altri veicoli spaziali commerciali, le temperature all’interno delle navi non sarebbero abitabili per gli astronauti date le temperature estreme calde e fredde dello spazio.

Questa complessa questione è solo una delle tante sfide indagate dai ricercatori di scienze fisiche della NASA presso il Glenn Research Center attraverso il Flow Boiling and Condensation Experiment (FBCE).

Si prevede che i risultati del modulo di condensazione per il trasferimento di calore (CM-HT) della FBCE svolgeranno un ruolo vitale nella progettazione dei futuri sistemi spaziali e terrestri. Ciò include la generazione di energia spaziale, l’habitat planetario, il controllo della temperatura dei veicoli spaziali, lo stoccaggio di fluidi criogenici, la gestione dei rifiuti, la ricarica dei veicoli elettrici, il raffreddamento degli aerei da combattimento con carichi g variabili e le celle a combustibile rigenerative.

Gli obiettivi scientifici di CM-HT mirano a generare un database sulla condensazione a flusso che verrà utilizzato per valutare il trasferimento di calore di condensazione in microgravità e per sviluppare criteri per l'indipendenza dalla gravità della condensazione a flusso. Tali criteri verranno utilizzati per progettare condensatori di flusso efficienti per applicazioni spaziali. Verranno sviluppati modelli predittivi matematici di condensazione del flusso, modelli di fluidodinamica computazionale (CFD) e correlazioni di progettazione per applicazioni di progettazione.

L'FBCE fungerà da piattaforma primaria per ottenere dati sul trasferimento di calore di ebollizione e condensazione del flusso bifase in microgravità. Il modulo di test CM-HT sarà caratterizzato da un tubo in acciaio inossidabile a pareti sottili posizionato concentricamente lungo un altro canale cilindrico formato in un materiale altamente isolante termico.

Il vapore del fluido di prova scorrerà attraverso il tubo interno e si condenserà respingendo il calore in un controflusso di acqua attraverso l'anello. La bassa conduttività termica della parete esterna del canale garantirà che tutto il calore venga trasferito tra i due fluidi. A causa della sua bassa conduttività termica rispetto ad altri metalli, l’acciaio inossidabile minimizza gli effetti di conduzione assiale, consentendo il trasferimento di calore principalmente radiale tra i fluidi.

Confrontando i dati sul trasferimento di calore nella microgravità con i dati ottenuti nella gravità terrestre, sarà possibile accertare l'influenza delle forze corporee sui fenomeni di trasporto bifase alla ricerca di modelli meccanicistici e correlazioni, e aiutare a determinare i criteri di flusso minimo per garantire l'ebollizione e la condensazione del flusso indipendente dalla gravità.

Il flusso bifase a bassa velocità in condizioni di microgravità pone sfide serie che non si incontrano comunemente nella gravità terrestre. Quando il livello di gravità si riduce, entra in gioco un nuovo equilibrio tra inerzia, tensione superficiale e forze del corpo, così che la meccanica di base della struttura interfacciale del flusso cambia drasticamente. Per studiare questi effetti, la struttura FBCE è stata installata sul laboratorio orbitante Fluid Integrated Rack (FIR) dell'ISS che offre un ottimo ambiente di microgravità per la ricerca sul flusso bifase.

L'ebollizione del flusso e la condensazione sono stati identificati come due meccanismi chiave per il trasporto del calore, vitali per ottenere una riduzione di peso e volume, nonché un miglioramento delle prestazioni nei futuri sistemi spaziali. I risultati di questa indagine supporteranno infine l'ottimizzazione della progettazione di caldaie a flusso e condensatori a flusso per l'utilizzo in missioni di lunga durata con elevata richiesta di energia in un ambiente di microgravità. Caldaie e condensatori efficienti determinano un uso efficiente dell'energia nelle missioni di lunga durata. Poiché i sistemi spaziali operano con un budget energetico limitato, l’imposizione di vincoli rigorosi sulla potenza disponibile andrà inoltre a vantaggio della conservazione energetica delle missioni.