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

Etudes théoriques et expérimentales de caloducs et de thermosiphons soumis à de fortes accélérations

One could consider heat pipe as a passive heat transfer componant with a very high thermal conductivity from about 100 to 1000 time the copper conductivity. Wide ranges of use are presented though examples of applications. Heat pipe physical principle is based on phase change heat capacity and closed cycle of saturated fluid flow. We proposed a detailled classification of heat pipes which allows us to restrict our detailled presentation of physical phenomenon into heat pipes. This these deals with circular heat pipes, with or without capillary structures, under very low, terrrestrial or high acceleration field.Heat transfer limits are presented though a wide litterature survey. Some new assumptions lead to a more physical calculation of the sonic limit.Moreover, as heat transfer conductances are very important to design a heat pipe, we have sudied many publications to present a survey of knowledge. For a wide range of heat pipes, we deals about the more accurate way to calculate conductances by examining internal physics phenomenon into heat pipes. This leads to modeling heat transfer in thin film taking into account phase change conductance and disjoining pressure concept.To improve understanding of heat pipe behavior, we developed an experimental equipment which allows testing of heat pipe under artificial acceleration field up to 90 m s-2 at an adiabatique temperature from 0°C to 100°C and for power input up to 1400 W. Many parametters like adiabatic temperature, power supply, heat flux density, acceleration field (direction and intensity), fluid, wall material, dimensions and capillary structure are explored. Some experimentals resultts are in accordance with our expectations, but many behaviors are unexplained yet, but allows us to direct future research in field which could improve global model or correlations of heat pipe behaviors.Une vision externe du caloduc permet de le considérer comme un système passif de transfert de chaleur assimilable à un matériaux de conductivité thermique 100 à 1000 fois plus importante que le cuivre. Les multiples applications sont évoquées au travers d'exemples. Leur principe de fonctionnement est basé sur l'exploitation du changement de phase liquide vapeur et la circulation d'un fluide à l'état de saturation. Ainsi, nous proposons une classification fine permettant de réduire, aux caloducs circulaires avec ou sans structure capillaire et soumis ou non à des forces de volume, notre analyse détaillée de la physique régissant le fonctionnement des caloducs.Les différentes limites de fonctionnement sont abordées en détails à partir d'une étude bibliographique importante. Des hypothèses nouvelles sont avancées pour le calcul de la limite sonique.Au travers d'une vaste étude bibliographique, nous abordons les notions de conductances thermiques dans la zone évaporateur et condenseur du caloduc, que ce soit pour les caloducs ayant une structure capillaire ou pour les thermosiphons à tube lisse. Cette observation minutieuse de la physique interne nous a conduit à examiner, à l'évaporateur, les échanges thermiques à travers des films liquides minces en introduisant la notion de pression de disjonction et de résistance d'évaporation.D'autre part, un montage expérimental complexe et unique au monde à notre connaissance nous a permis de tester trois caloducs cuivre-méthanol sur une plage de température de [0, 100°C] pour des puissances jusqu'à 1400 W et soumis à des champs d'accélération de 1 à 9 g.Si une partie des résultats expérimentaux obtenus est conforme à nos attentes, de nombreux comportements restent inexpliqués mais permettent d'orienter les recherches futures pour augmenter la prédictibilité des modèles ou des corrélations sur de vastes gammes d'évolution des paramètres (température, puissance, accélération, fluide, matériau, dimensions, structure capillaire, ...

Etudes théoriques et expérimentales de caloducs et de thermosiphons soumis à de fortes accélérations

POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Analyses et caractérisations numérique et expérimentale d'un caloduc tournant à grandes vitesses de rotation

L'utilisation de machines électriques soumises à des conditions de fonctionnement toujours plus sévères (vitesse de rotation, dissipations de chaleur) nécessite la mise au point d'un dispositif efficace, autonome et fiable, capable d'extraire la chaleur de ces équipements tout en respectant les contraintes de poids, de taille et de coût rencontrées dans l'aéronautique. Outre ses qualités de système passif pouvant transférer d'importantes quantités de chaleur, le caloduc tournant axial satisfait ces exigences du fait de l'encombrement minimal et des faibles quantités de fluide qu'il nécessite. La caractérisation de ce type de dispositifs diphasiques soumis à de fortes accélérations radiales (jusqu'à 16 000 g) a fait l'objet de travaux à la fois numériques et expérimentaux effectués dans le cadre de cette thèse. Une première phase de l'étude développée dans ce mémoire a été dédiée à la description du comportement thermo-hydraulique interne du caloduc tournant par une approche semi-analytique centrée sur la modélisation du comportement de la phase liquide. Cette réflexion, menée à la fois dans des cas de remplissage minimaux ainsi que dans des cas de sur-remplissage, a permis de mettre en évidence la sensibilité des performances aux différents paramètres de fonctionnement que sont la vitesse de rotation, le flux de chaleur, la masse de fluide, la température de saturation et la nature du fluide. La caractérisation du caloduc tournant a ensuite été complétée par une phase expérimentale nécessaire à la quantification des capacités de transferts de chaleur dans des conditions réelles de fonctionnement. Les différentes campagnes d'essais menées ont permis d'une part de s'assurer du fonctionnement du dispositif chargé soumis à des accélérations très élevées et d'autre part, de quantifier les performances du système pour diverses conditions opératoires (vitesse, flux de chaleur, etc.). L'ensemble des investigations a révélé un potentiel de transfert de chaleur très satisfaisant, ce qui s'avère très encourageant en vue d'une intégration du système dans une machine tournante.The use of electrical equipments undergoing hard operating conditions (rotational speed, heat dissipations) leads to the development of an efficient, passive and reliable device, capable of extracting heat from those systems while satisfying constraints such a weight, size and cost encountered in aeronautics. As well as being a good passive system transferring large quantities of heat, the axial rotating heat pipe satisfies all those requirements because of its reduced size and the small working fluid loads. The characterization of this type of two-phase devices operating under high radial acceleration levels (up to 16 000 g) has led to researches both numerical and experimental carried out during this thesis. The first phase of this study is devoted to the internal thermo hydrodynamic behaviour of the rotating heat pipe with a semi-analytic approach, concentrated on the behaviour of the liquid phase. This analysis, carried out with both minimal and overweight conditions, has highlighted the devices performances sensibility to the different operating parameters which are the rational speed, the heat flux, the filling ration the saturation temperature and the type of fluid. The rotating heat pipe characterization has then been completed with an experimental phase, necessary to the evaluation of its heat transfer capacities in real operating conditions. Different series of tests first checked the ability of the device to operate under high accelerations while being loaded with fluid and then lead to the system performances determination for several operating conditions (speed, heat flux, etc.). All those investigations revealed a very interesting heat transfer potential which is very promising for the integration of this system in rotating equipment.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Développement expérimental et modélisation numérique d'une boucle diphasique à pompage capillaire en environnement gravitaire (application au refroidissement de composants d'électronique de puissance en contexte automobile)

Le développement de la technologie du véhicule hybride au sein du parc automobile mondial place les constructeurs face au problème d'intégration des modules d'électronique de puissance générant d'importantes dissipations thermiques alors que les systèmes de refroidissement conventionnels atteignent leurs limites. C'est pourquoi un système innovant de transfert thermique passif fait l'objet de cette thèse : la boucle diphasique à pompage thermocapillaire. Une architecture particulière de ce type de système est présentée, où la gravité joue un rôle de premier plan. Un banc expérimental avec mesures de températures, pressions et débits a été conçu pour caractériser la réponse de la boucle à une application de puissance en régimes de fonctionnement permanent et transitoire. Les résultats obtenus ont permis, tant sur les plans thermique qu'hydraulique, de mieux comprendre et confirmer ce potentiel de gestion de la dissipation thermique en maintenant la température de l'électronique stable quelle que soit la puissance appliquée. Ces données ont aussi permis de valider et d'identifier en régime permanent un modèle nodal thermo-hydraulique de boucle développé dans le cadre de cette thèse. Ce modèle global est basé sur une approche de modélisation du phénomène de changement de phase avec comme variable l'enthalpie en sus de la température et de la pression. Ce modèle reste tributaire de l'expérience par l'identification de deux conductances thermiques, mais il a permis d'apprécier l'influence de la gravité et des conditions extérieures sur le fonctionnement de la boucle et ouvre des perspectives de dimensionnement pour sa valorisation dans les futurs véhicules hybrides.The development of hybrid vehicle technology among worldwide cars fleet leads car manufacturers to take up new challenges. The on-board power electronics components are a source pf heat power witch must be evacuated in spite of conventional cooling systems limitations. An innovative heat transfer device is presented in this thesis : the Capillary Pumped Loop for Integrated Power. Gravity plays a major part during operation of this device. A test bench has been built with temperatures, absolute pressure and mass flow rate probes in order to analyse the loop response to heat power application in steady-state and transient operations. The contribution of pressure and mass flow rate measurements has notably appeared by the characterisation of particular flow regimes in the loop during transient operation. As much on thermal level as hydraulic level, the results obtained have allowed to understand and confirm this loop ability to ensure heat power evacuation by maintaining stable power electronics temperature for whatever power applied. The experiment results have also allowed to validate and identify a steady-state operation a nodal thermo-hydraulic modelling of loop built-up during this thesis. This global modelling is based an approach using mass enthalpy a variable in addition of temperature and pressure to simulate phase-change phenomena. Even if this modelling remains dependent on experiment by two thermal conductance identification, it has allowed to estimate the influence of gravity and external conditions on loop operation. Moreover, it offers sizing prospects for this kind of loop development on-board future hybrid vehicles.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Développement et étude du modèle de réservoir dans la modélisation transitoire d'une boucle diphasique à pompage capillaire

International audienc

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

Transient thermohydraulic modeling of two-phase fluid systems

International audienceThis paper presents a transient thermohydraulic modeling, initially developed for a capillary pumped loop in gravitational applications, but also possibly suitable for all kinds of two-phase fluid systems. Using finite volumes method, it is based on Navier-Stokes equations for transcribing fluid mechanical aspects. The main feature of this 1D-model is based on a network representation by analogy with electrical. This paper also proposes a parametric study of a counterflow condenser following the sensitivity to inlet mass flow rate and cold source temperature. The comparison between modeling results and experimental data highlights a good numerical evaluation of temperatures. Furthermore, the model is able to represent a pretty good dynamic evolution of hydraulic variables