Experimental Analysis of the Fluid Flow in the Flat Plate Pulsating Heat Pipe Under Microgravity Conditions

An experimental study of a flat plate pulsating heat pipe has been performed under various gravity conditions during ESA 69th parabolic flight campaign. A molybdenum plate, with 14 milled rectangular channels with cross-section of 3×3 mm2, was covered with a sapphire window, and tested in vertical position with ethanol as working fluid. If operation in normal and hyper-gravity conditions were characterized by nucleate boiling regime, FP-PHP working like in looped thermosyphon mode, transition into microgravity was accompanied by a flow pattern change into slug/plug regime with thin film evaporation, due to absence of buoyancy forces. Hydrodynamic instabilities, accompanied with short-term periods of emergence of nucleate boiling under microgravity, were observed during several parabolas. Formations of long vapor slugs in the channel lead to thin film evaporation. Combined optical and infrared visualizations showed velocity and amplitude increase of the menisci motions

Experimental Analysis of the Fluid Flow in the Flat Plate Pulsating Heat Pipe Under Microgravity Conditions

An experimental study of a flat plate pulsating heat pipe has been performed under various gravity conditions during ESA 69th parabolic flight campaign. A molybdenum plate, with 14 milled rectangular channels with cross-section of 3×3 mm2, was covered with a sapphire window, and tested in vertical position with ethanol as working fluid. If operation in normal and hyper-gravity conditions were characterized by nucleate boiling regime, FP-PHP working like in looped thermosyphon mode, transition into microgravity was accompanied by a flow pattern change into slug/plug regime with thin film evaporation, due to absence of buoyancy forces. Hydrodynamic instabilities, accompanied with short-term periods of emergence of nucleate boiling under microgravity, were observed during several parabolas. Formations of long vapor slugs in the channel lead to thin film evaporation. Combined optical and infrared visualizations showed velocity and amplitude increase of the menisci motions

High-efficiency cooling system for highly integrated power electronics for hybrid propulsion aircraft

A study of high-performance power electronics and their associated high efficiency cooling system is proposed in this work. The purpose of the research is to find, design, study and optimize high-efficiency power electronics cooling system for a hybrid propulsion aircraft. The purpose is to find the most performing and efficient cooling system to allow power electronic converters to operate with the highest performances possible. After a study focused on the most suitable solutions, a passive capillary pumped system was retained because of its performances and energetic efficiency. Here, a study of this particular system is presented. The Capillary Pumped Loop for Integrated Power (CPLIP) or CPLTA (Capillary Pumped Loop for Terrestrial Applications) is introduced: numerical and experimental results are proposed to show the performances of this loop. It will be also shown that the loop is able to ensure the temperature requirements for power modules. After an introduction on this kind of cooling system and its working principles, the loop behavior will be experimentally studied while a finite volume solver will be used to obtain 3D temperature map of power converter modules. Other than the capability to ensure the temperature controllability, it will be shown how this loop is able to ensure and go beyond the required power coefficient to allow these systems to fly

Caractérisation thermophysique des mélandes binaires aqueux (analyse des phénomènes de transition de phase dans les frigoporteurs diphasiques)

Ce travail concerne les propriétés thermophysiques des mélanges binaires aqueux et leur caractérisation. La première partie est une étude bibliographique détaillée relative à la rhéologie et aux pertes de charge des écoulements de coulis de glace. Il en ressort que le rhéomètre d'Ostwald et le viscosimètre "vane-in-cup" sont probablement les appareils de mesure les mieux adaptés à la caractérisation rhéologique des coulis..NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocNANTES-Ecole Centrale (441092306) / SudocSudocFranceF

Analyse par voie de modélisation du comportement thermohydraulique instationnaire de boucles diphasiques à pompage capillaire en environnement gravitaire (application au refroidissement de composants électroniques de puissance soumis à des sollicitations sévères)

La démarche d'électrification des avions repose sur l'intégration croissante d'électronique de puissance. En raison de l'importance de la dissipation thermique qu'elle génère, les systèmes de refroidissement traditionnels atteignent leurs limites. Parmi les solutions de transport de chaleur alternatives identifiées apparaissent les boucles diphasiques à pompage capillaire. Cette thèse en propose une démarche de modélisation. Après la présentation d'une boucle diphasique particulière mettant à profit la gravité grâce au positionnement relatif de ses organes principaux - réservoir, évaporateur et condenseur - une première modélisation du comportement transitoire est détaillée. Basée sur la méthode nodale et utilisant le solveur ESACAP, elle repose essentiellement sur l'hypothèse de fluide homogène et la représentation du changement de phase par une approche enthalpique. Au regard des temps caractéristiques des phénomènes, la dynamique hydraulique n'est pas appréhendée dans ce premier modèle. Un banc expérimental développé par ailleurs a permis de contrôler la qualité des comportements thermiques simulés mais aussi de pointer l'insuffisance des réponses hydrauliques de ce système. Pour des sollicitations sévères, les phénomènes hydrauliques deviennent prépondérants lors des régimes transitoires. Aussi, un second modèle basé sur une méthode de volumes finis associée à la résolution précise des équations de conservation a été bâti. Si une représentation affinée du réservoir et de l'évaporateur reste encore nécessaire, l'aptitude de cette modélisation à traduire le comportement hydraulique d'une boucle soumise à des conditions de fonctionnement sévères a pu être démontrée.Electrification of airplane approach lays on the increasing power electronics integration. Traditional cooling systems reach their maximal performance because of the high thermal dissipation of these components. Two-phase fluid capillary pumped loops appear among identified alternative solutions. This thesis aims at proposing a modelling approach of this king of system. A peculiar architecture of two-phase fluid capillary pumped loop, exploiting gravity thanks to relative position between its constitutive components which are the tank, the evaporator and the condenser, is firstly presented. Then a transient modelling approach which relies essentially on nodal method, homogenous fluid hypothesis and phase change management thanks to pressure and mass enthalpy instead of temperature, is proposed. The main weakness of this modelling is not to take into account hydraulic dynamic. Not only experimental validation has revealed the thermal estimation quality but also the incapacity of hydraulic behavior prediction. However, hydraulic phenomenon leads the loop functioning during transient states. Thus, un new model which traduces accurately the mechanical aspects is proposed. It relies on mass conservation, momentum and energy conservation equations solving using finite volumes method. Mass enthalpy, pressure and mass flow rate are considered as variables. Even if refining the evaporator and tank modelling would induce a better accuracy, the ability of this transient modelling to predict to thermohydraulic behavior of the loop is proved soon.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Analyse par voies expérimentales et numérique de phénomènes thermohydrauliques au sein de caloducs plats (évaluation des performances en vue du refroidissement des batteries de véhicules électriques)

L'implantation en masse de véhicules électriques dans le parc automobile français et/ou mondial répresente un changement conséquent dans le secteur automobile. Renault a fait le choix d'être l'initiateur de ce changement en réduisant au maximum les contraintes liées à ce type de véhicule. Une de ces contraintes majeures est la durée de charge des batteries, l'autre étant leur autonomie. Renault veut mettre en place des dispositifs de charge rapide permettant de réduire cette durée à environ 15 minutes. Pour cela, des puissances électriques très élevées doivent circuler dans les batteries et génèrent ainsi des dissipations thermiques importantes. Pour satisfaire ces contraintesthermiques mais également optimiser celles liées à l'encombrement, au coût, à la durée de vie et à la sécurité du dispositif de refroidissement, les solutions classiques de refroidissement gazeux ou liquide semble moins adaptés que d'autres solutions innovantes telles que le refroidissement par diffuseur thermique diphasique. Un diffuseur thermique diphasique a donc été conçu pour s'adapter à cette application. Un banc expérimental a été réalisé afin d'évaluer ses performances, mais également d'analyser son comportement et distinguer l'influence de plusieurs paramètres de premier ordre. Pour aider à cette analyse, des travaux de modélisation hydrauliques et thermiques ont été menés. Enfin, un démonstrateur a été réalisé dans les locaux de Renault pour le refroidissement de quatre modules de batteries avec deux diffuseurs thermiques diphasiques. Les résultats se sont montrés encourageant et ont permis d'ouvrir une voie de développement des systèmes diphasiques dans ce secteur industriel.The emergence of electrical motor vehicles en the French and/or Worldwide fleet stands for a real change in the automotive. Renault made the choice to initiate this change by reducing considerably the constraints linked to this kind of vehicle. One of these major constraints is the batteries loading duration; the other is their autonomy. Renault wants to establish some fast load devices allowing to reduce the loading duration to fifteen linutes approximately. For this, very high electrical powers must pass throuh the batteries, thus generating high heat losses. Considering these thermal stresses while minimizing the size, the cost of the cooling devices, and maximizing their life and safety, classical cooling solutions, such as gaseous or liquid convection, seem to be less suitable than other innovative solutions, such as cooling two-phase thermal spreaders. A two-phase heat spreader has thereby been designed in the context of this thesis in order to respond to this application. An experimental bench has been set-up in order to study the performances of the spreader, and to analyse its operations and distinguish the first order influence of several parameters. To assist this analysis, some specific hydraulic and thermal model approaches have been carried on. Finally, a demonstrator has been produced within the buildings of Renault, dedicated to the cooling of a four batteries pack by means of two heat spreaders. The experimental results are encouraging and permit to conceive the development of two-phase heat spreaders in this industrial sector.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Modélisation des transferts de chaleur et de masse dans les caloducs (contribution à l'analyse des phénomènes d'interfaces intervenant dans les écoulements diphasiques)

Les caloducs permettent, au sein des équipements dans lesquels ils sont intégrés, de transférer de grandes quantités de chaleur en utilisant l'enthalpie de changement de phase d'un fluide à l'état de saturation. Ils garantissent ainsi de faibles gradients de températures. Grâce à leur fiabilité, leur autonomie et leur encombrement réduit, les caloducs sont des technologies dont le développement est en plein essor. La compréhension de la physique mise en jeu dans ces systèmes requiert une modélisation numérique fine des phénomènes régissant les transferts de masse et de chaleur qui s'y produisent. Cette thèse s'intéresse plus particulièrement à la modélisation des échanges au sein des deux technologies particulières que sont les caloducs à pompage capillaire à rainures axiales et les caloducs tournants. Ce mémoire fournit d abord, dans les deux premiers chapitres, une présentation générale des caloducs et des phénomènes physiques intervenant dans leur fonctionnement. Suit, une caractérisation complète de la micro-région située en haut des rainures des évaporateurs de caloducs rainurés. Cette région constitue une zone d'échange privilégiée. Des résultats originaux sont mis en évidence et sont établies, en particulier, des corrélations permettant de modéliser précisément cette micro-région au sein de modèles acroscopiques d'évaporateur. Le modèle utilisé pour la description de la micro-région est ensuite étendu à la caractérisation des transferts de masse et de chaleur au sein du film de liquide le long d'un caloduc tournant. Les résultats permettent alors de quantifier l'influence de certaines conditions de fonctionnement du caloduc sur ses performances. Enfin, à l'aide du code Trio_U développé au CEA-Grenoble, de premières caractérisations de comportement à l'interface liquide/vapeur sont effectuées pour des situations d'écoulements simples avant d'envisager d'étendre nos premiers travaux à la modélisation thermo- hydraulique d'un caloduc complet.Heat pipes are highly efficient devices thanks to the use of latent enthalpy of a fluid at saturation state characterizing the liquid/vapour phase change. They can transfer heat flux maintaining little temperatures gradients. Thanks to their reliability, their autonomy and their little size, they are more and more used in many applications. The better understanding of physical phenomena interfering in these systems requires an accurate numerical modelling of heat and mass transfers. This thesis particularly focuses on the transfers modelling in two main different technologies: grooved heat pipes and rotating heat pipes. In a first chapter, a general description of heat pipes is exposed. The second chapter focuses on the description of the physical phenomena occurring in such devices. In grooved heat pipes, important part of the heat flux injected goes through a little region called micro-region. It is localized at the top of the grooves in the evaporator. A model of this region is presented where original results are exposed; correlations are notably proposed to characterize precisely this zone in a macroscopic model of evaporator. The model used here is then adapted to the description of heat and mass transfer through the liquid film along a rotating heat pipes. The results obtained permits to show the influence of the different operating conditions on the heat pipe performances. Finally, thanks to software developed by the CEA-Grenoble, Trio U, first characterisations of the behaviour of liquid/vapour interface are done for simple two phase flows. This study will permit, in the future, to complete the previous modellings: the final aim is to develop a complete thermo-hydraulic model of heat pipe.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Steady-state analysis of a Capillary Pumped Loop for Terrestrial Application with methanol and ethanol as working fluids

International audienceThis paper aims to study and understand the behaviour of a CPLTA (Capillary Pumped Loop for Terrestrial Applications) in different operating conditions. This CPL, designed for power electronics cooling applications, has been analysed from two different points of view by comparing its operating behaviour with Ethanol and Methanol as working fluids. The influence of the fluids on CPLTA was experimentally explored by modifying: the thermal characteristics (applied heat flux density on the evaporator walls, saturation temperature in the reservoir and condenser inlet temperature) and the hydraulic characteristics (by acting on a setting valve to generate controlled and increasing pressure losses in the vapour line) in order to show how they impact the behaviour of the loop. Thermal aspects of the loop were analysed, including changes of evaporator conductance. To obtain the thermodynamic cycles and evaporator conductance, based on the real evaporation temperature in the porous wick, a theoretical study was conducted using a specific post-processing tool

Analyse expérimentale et modélisation de caloducs oscillants en contexte aéronautique

L augmentation permanente des densités de flux de chaleur mises en jeu, en contexte aéronautique notamment, et l évacuation de celles-ci, constitue actuellement une problématique majeure pour les industriels du secteur. Les solutions de refroidissement utilisées jusqu à aujourd hui ne suffisent plus à assurer la tenue thermique de ces systèmes, nécessitant l apport de nouveaux moyens. A ce titre, parmi les solutions existantes, le caloduc oscillant suscite un intérêt croissant de part ses nombreux avantages, comparé aux systèmes diphasiques classiques. C est pourquoi le projet Optimal, dans lequel s inscrivent ces travaux de thèse, se propose d employer cette technologie dans le but d optimiser le refroidissement de nouvelles turbomachines électriques. Le principe de fonctionnement du caloduc oscillant, simple au demeurant, recèle néanmoins des aspects encore peu maîtrisés. Cette thèse a donc pour objectif, d une part, d évaluer les performances d un tel système dans ce contexte industriel et, d autre part, d apporter de nouveaux éléments visant à accroître la compréhension de son fonctionnement, par des moyens expérimentaux mais également numériques.Pour se faire, l étude expérimentale réalisée au cours de ce projet a consisté au développement d un prototype, à partir duquel des campagnes d essais ont été effectuées. Ces essais ont permis de caractériser les performances du système au travers d investigations paramétriques (fluide de travail, taux de remplissage, inclinaison, puissance injectée, température de source froide, boucle ouverte ou fermée). Il a ainsi pu être observé une amélioration évidente des performances plus spécifiquement sous certaines conditions opératoires, mais également des comportements particuliers liés au fonctionnement de ce système. A cette approche expérimentale s ajoute une étude théorique basée sur le développement d un modèle numérique. Face à la complexité des mécanismes thermo-physiques régissant le fonctionnement du caloduc oscillant, ce modèle s intéresse à un système simplifié, caractérisé par le déplacement d un système bulle de vapeur, bouchon liquide, dans lequel un film liquide déposé en aval est soumis à une évaporation. Le but ultime étant à terme de décrire précisément la dynamique de ce film liquide, ce modèle a conduit dans le cadre de cette thèse à mettre en évidence l ensemble des phénomènes physiques associés à l évaporation en film dans un tube capillaire, et d établir une cartographie des domaines d utilisation de ce modèle selon les hypothèses considérées, pour une utilisation ultérieure liée à l identification expérimentale des paramètres de ce film.The continuous increase of heat flux densities involved in aeronautic context, and their evacuation, represent a major issue nowadays. The solutions used until now are no longer sufficient to ensure the thermal maintenance of these systems, requiring new technologies. Among them, the pulsating heat pipe induces a growing interest. Thus, the French FUI project Optimal suggests employing this technology in order to optimize the cooling of new electric turbomachines. The work led in this PhD aims to evaluate the performances of such a system in this context, by experimental and numerical means.The experimental study which has been conducted consisted in the development of a prototype, starting from which experiments have been led. These tests allowed characterizing the thermal performances of the system through parametric investigations. Thereby, it has been observed an obvious improvement of these performances under some operating conditions, but also several particular behaviors. In addition to that approach, one adds a theoretical study based on the development of a numerical model. Given the complexity of the mechanisms governing the pulsating heat pipe s operation, this model focuses on a simplified system, characterized by the motion of vapor bubble-liquid slug structure, in which a liquid film, deposited downstream, is subjected to evaporation. This model has conducted to highlight the physical phenomena associated to the thin film evaporation in a capillary tube, and to establish a cartography of its applicability fields, according to the considered assumptions.POITIERS-ENS Mécanique Aérot (860622301) / SudocSudocFranceF

Experimental analysis of a capillary pumped loop for terrestrial applications with several evaporators in parallel

International audienceIn the context of high-dissipation electronics cooling for ground transportation, a new design of two-phase loop has been improved in recent years: the capillary pumped loop for terrestrial application (CPLTA). This hybrid system, between the two standard capillary pumped loop (CPL) and loop heat pipe (LHP), has been widely investigated with a single evaporator, and so a single dissipative area, to know its mean operating principles and thermohydraulic couplings between the components. To aim to extend its scope of applications, a new experimental CPLTA with three evaporators in parallel is studied in this paper with methanol as working fluid. Even if the dynamics of the loop in multi-evaporators mode appears on the whole similar to that with a single operating evaporator, additional couplings are highlighted between the several evaporators. A decoupling between vapor generation flow rate and pressure drop in each evaporator is especially revealed. The impact of this phenomenon on the conductance at evaporator is analyzed