Visualisation de la vidange et étude des transferts de chaleur et de masse dans les cannelures d'évacuation de la vapeur des évaporateurs capillaires

Visualization of emptying and study of heat and mass transfers in the vapour channels of capillary evaporators

• Auteur / Autrice : Pierre-Yves Fravallo
• Direction : Marc Prat, Vincent Platel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergetique et Transferts
• Date : Soutenance le 14/12/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Lounès Tadrist
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Prat, Vincent Platel, Yves Bertin, Valérie Sartre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Bertin, Valérie Sartre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capillarité

Écoulement diphasique

Transfert de chaleur

Écoulement en milieux poreux

Caloducs

Mots clés libres

Loop Heat Pipe

Milieux poreux

Évaporateur capillaire

Changement de phase

Diphasique

Capillarité

Transferts de chaleur

Visualisation

Simulation

Loop Heat Pipe

Porous medium

Capillary Evaporator

Phase change

Diphasic

Capillarity

Heat Transfers

Visualisation

Simulation

Résumé

Avec la miniaturisation des composants électroniques et la puissance toujours croissante demandée à ces derniers, le contrôle thermique des équipements électronique est un enjeu crucial dans tous les domaines industriels. Parmi les solutions disponibles pour assurer ce contrôle thermique celles sur lesquelles se penche notre étude sont les Loop Heat Pipe (LHP). Bien que le spatial soit de loin le domaine dans lesquels ces dispositifs sont les plus utilisés, ces derniers voient leur domaine d’application s’ouvrir aux applications terrestres. Les LHPs sont composées d’un évaporateur connecté à un condenseur par une ligne vapeur et d’un réservoir accolé à l’évaporateur et qui est relié au condenseur par une ligne liquide. Parmi ces éléments notre étude se focalise sur l’évaporateur qui a la charge d’évacuer le flux thermique et de servir de pompe en vaporisant le fluide. La première partie de la thèse est consacrée à la conception et l’exploitation d’un banc d’essai innovant qui vise à observer des phénomènes intervenants dans les LHPs et difficile à capturer via les simulations numériques. Plus précisément, il s’agit d’observer la vidange des rainures au démarrage de l’évaporateur lorsque celui-ci est rempli de liquide et ce pour différentes orientations dans le champ gravitaire. Ces expériences effectuées pour deux matériaux différents ont pu mettre en évidence des régimes d’écoulement jusqu’ici peu ou pas envisagés. Afin de contribuer au développement d’un outil numérique permettant de calculer le comportement de l’ensemble de la boucle de manière détaillé, la seconde partie de la thèse est dédiée aux aspects simulations. Afin d’effectuer un changement d’échelle au niveau de l’évaporateur, différentes hypothèses et parti pris de modélisation sont étudiés pour les cas où les rainures sont construites dans la culasse ou dans la mèche poreuse. Après un rappel sur le modèle d’évaporateur basé sur une approche de type réseau de pore mixte, le premier aspect de modélisation étudié est celui de la prise en compte de la zone entre la mèche et le réservoir. Cette zone d’abord considérée comme une paroi solide qui échange avec le réservoir apparait comme améliorant la conductance locale, retardant l’apparition de la zone diphasique dans la mèche et diminuant le débit vaporisé au début de l’évaporateur. Ceci implique une zone plus froide en début d’évaporateur qui pointe ainsi l’importance d’un bon positionnement des thermocouples lors de test. Bien que l’influence de cette zone se limite avec une longueur d’évaporateur croissante, sa modélisation semble impérative pour prendre en compte le flux de chaleur vers le réservoir dans le cadre de modèles plus détaillés. Autre source possible d’hétérogénéités au sein du modèle le comportement de l’écoulement vapeur au sein des rainures est étudié. Un modèle éléments finis, alimenté par les résultats du modèle réseau de pore, résout les transferts de chaleurs et l’écoulement au sein d’une rainure vapeur. Les résultats ont montré des différences significatives avec les hypothèses usuelles entre les deux géométries. Alors que l’hypothèse d’une température de vapeur constante dans le canal et proche de la température de saturation s’avère acceptable dans le cas de canaux construits dans la mèche celle-ci est erronée dans le cas des canaux construits dans la culasse. L’étude des variations de pression dans le canal appuie l’utilisation d’une température de saturation constante dans ces canaux. En contraste avec l’augmentation constante de la vitesse dans ces canaux, les coefficients d’échanges convectifs n’évoluent que peu alors que les corrélations indiquent une augmentation de ces coefficients avec le nombre de Reynolds. Ces résultats appliqués aux modèles réseau de pores ont confirmé la faible influence des conditions dans les canaux sur le comportement de l’évaporateur hormis pour le cas où les canaux sont usinés dans la culasse et ou une augmentation de la température et du débit a été observé.

With the miniaturization of electronic components and the increasing power required by them, the thermal control of electronic equipments is a crucial issue in all industrial areas. Among the different technologies that ensure the thermal control our study focus on the Loop Heat Pipe (LHP). Although space is by far the field in which these devices are the most used, their applications fields is now opened to terrestrial applications. LHPs are made of an evaporator connected to the condenser through a vapour line and a tank which is attached to the evaporator and connected to the condenser through a liquid line. Among these elements, our study focuses on the evaporator which is responsible for evacuating the heat flow and serving as a pump by vaporizing the fluid. The first part of the thesis is focused on the conception and the use of an innovative experimental bench which aims to observe some phenomena that happens in LHP and difficult to compute with numerical simulations. More precisely, the goal is to observe the emptying of the evaporator’s groove at start up when the evaporator is preliminarily full of liquid and this for different tilt in the gravitational field. These experiments performed with two kinds of materials have highlighted some kinds of flow not or few considered. In order to contribute to the development of a numerical tool allowing to compute the behaviour of the detailed entire loop, the second part of the thesis is focused on simulation aspects. In order to change the scale at evaporator level, different assumptions and modelling biases are studied for the cases when the vapour grooves are built in the casing or in the wick. After a presentation of the evaporator model based on the mixed pore-network approach, the first modelling aspect which is studied concerns the area between the wick and the tank. This zone, first considered as a solid wall, is thermally linked with the tank and appears to improve the local conductance, to delay the birth of the diphasic zone in the wick and decrease the vaporized mass flow at the beginning of the evaporator. This implies a cooler zone at the beginning of the evaporator and points the importance of a good positioning of thermocouples during testing. Although the influence of this zone is limited when the evaporator length increases, its modelling seems imperative to take in account the heat flux to the compensation chamber for more detailed modelling. Other possible source of heterogeneity within the model, the behaviour of the vapour flow within the grooves is studied. A FEM model, feed by the results of the pore-network model, solves the heat transfers and the flow inside one vapour groove. The results have shown significant differences with the common assumptions between both geometries. Whereas the assumptions of a constant vapour temperature inside the groove and closed to the saturation temperature is acceptable for groove built within the wick, this assumption is wrong when the grooves are machined inside the casing. The study of the pressure variations inside the groove supports the assumption of a constant saturation temperature inside the grooves. Finally, in contrast with the constant raising of the velocity inside the grooves, the convective coefficients are almost constant whereas the correlation denotes an augmentation of these coefficients with the Reynolds number. These results applied on the pore-network model have confirmed the weak influence of the conditions inside the groove on the behaviour of the evaporator except for the case when the grooves are built inside the casing and for whom an augmentation of the temperature and the mass flow rate is observed.