No description available.

Les boucles diphasiques à pompage capillaire sont des systèmes performants de transfert thermique qui peuvent transporter, de manière passive, de très importantes quantités de chaleur sur de grandes distances : utilisant les phénomènes qui apparaissent lors de la vaporisation d'un liquide dans un corps poreux (la mèche) contenu dans l'évaporateur, ces dispositifs offrent l'avantage de ne pas utiliser d'organe mécanique de puissance pour mettre lefluide frigorigène en mouvement. Vu les performances dont ces systèmes ont fait preuve dans le domaine spatial, leur utilisation dans le domaine gravitaire est aujourd'hui sérieusement étudiée, en particulier dans le domaine ferroviaire. Le travail de cette thèse porte sur la description du comportement thermodynamique instationnaire global d'une boucle diphasique à pompage capillaire, utilisée par Alstom Transport pour refroidir ses composants d'électronique de puissance. La première partie de ce travail consiste en la modélisation du transfert de masse et de chaleur dans la mèche contenu dans l'évaporateur, qui est le composant clé de la boucle. Un modèle mathématique instationnaire 2D a été développé pour décrire l'écoulement diphasique avec changement de phase dans le milieu poreux. Les résultats numériques de ce modèle montrent la formation d'une poche de vapeur au sein de la mèche poreuse. Une étude approfondie est élaborée pour décrire la dynamique de la croissance de cette poche en fonction de plusieurs paramètres (géométrie, sous-refroidissement, température de saturation, porosité). La deuxième partie de ce travail consiste à coupler le modèle de l'évaporateur au reste de la boucle afin d'obtenir un modèle thermodynamique global avec une interface liquide/vapeur mobile dans la mèche poreuse. Ce modèle est validé en régime transitoire par une confrontation de ses résultats aux mesures obtenues lors d'une précédente campagne expérimentale. Le comportement de la boucle au cours de la phase de démarrage est ensuite étudié. Finalement, la réponse transitoire de la boucle globale est analysée, en portant un intérêt particulier au comportement de l'évaporateur soumis à un créneau de puissance appliqué, à la variation de la température de consigne du réservoir de contrôle et à la variation de la température de la source froide en contact avec le condenseur. / Capillary pumped loop is a two phase device that uses the phase change phenomena occurred in the porous wick to transport large heat loads over long distances (several meters) without the need of any mechanical pump. CPLs have been developed and successfully employed for the thermal control of satellites. Thanks to their heat transport capacity, their use is now seriously considered in the gravity field especially for cooling electronic devices of a railroad traction chain. The work of this thesis focuses on the description of the unsteady thermodynamic behavior of a capillary pumped loop used by Alstom Transport to cool its power electronics components. The first part of the thesis consists to study the key component of CPL: the capillary evaporator. A 2D unsteady mathematical model has been developed to describe the heat and mass transfer inside the porous wick of the CPL evaporator. The numerical results of this model show the formation of a vapor pocket inside the porous wick. The influences of evaporator geometry, liquid subcooling, saturation temperature and wick porosity on the dynamic growth of the vapor pocket are discussed in detail. The second part of this work consists of coupling the CPL evaporator model with other CPL components in order to obtain a global capillary pumped poop model with a mobile liquid/vapor interface in the porous wick. The proposed model is validated by comparing numerical simulations with experimental results obtained in a previous works realized at Alstom Transport. The CPL startup is then studied. Finally, the influences of the applied power, reservoir temperature and heat sink temperature on the dynamic response of the overall loop are analyzed, with a particular interest to the evaporator behavior.

Dans le domaine ferroviaire les contraintes pesant sur les systèmes de traction électrique sont telles que cela constitue une branche à part de l’électronique, appelée « électronique de puissance ». La nécessité du refroidissement est exacerbée par la présence de très fortes puissances électriques circulant dans ces systèmes. Une adaptation au domaine ferroviaire des boucles fluides diphasiques à pompage capillaire, initialement conçues pour des applications spatiales, pourrait constituer une réponse avantageuse à ce besoin de refroidissement. Ce sont des moyens de transfert thermique passifs, modulaires, très performants et très fiables. La vaporisation du fluide caloporteur se fait dans une mèche poreuse, engendrant une différence de pression entre la vapeur et le liquide, permettant la mise en mouvement du fluide dans tout le système. Elles fonctionnent donc sans pompe ni aucun organe mécanique de mise en mouvement du fluide.Des adaptations ont été effectuées par ALSTOM et EHP (Euro Heat Pipe) sur ces boucles conduisant à un prototype appelé « Capillary Pumped Loop for Integrated Power » (CPLIP). Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est d’étudier la compatibilité chimique du fluide diphasique utilisé dans la CPLIP, le méthanol, avec le matériau de la mèche poreuse de la CPLIP, du nickel fritté. Cette compatibilité sera notamment étudiée aux températures de fonctionnement qui pourraient être plus élevées qu’elles ne le sont actuellement avec l’utilisation du carbure de silicium dans l’électronique de puissance. Deux bancs d’essai ont été développés spécifiquement pour l’étude du vieillissement d’un fluide au contact d’un solide catalytique. Le premier est un réacteur batch permettant de déterminer la cinétique de réaction. Un second banc d’essais a été conçu dans le but de se rapprocher des conditions de fonctionnement des boucles fluides diphasiques. Du fait des contraintes liées à l’étude de la réaction par analyse des composés chimiques, il n’était pas possible de faire circuler le fluide par pompage capillaire. C’est donc une boucle fluide diphasique gravitaire qui a été mise au point. Le fonctionnement de ce procédé étant loin d’être trivial, une partie de ce travail est consacrée à décrire le comportement thermique de ce procédé, à l’aide de résultats expérimentaux ainsi que d’un modèle numérique simple. Les analyses sur ces deux bancs de test ont été faites à l’aide d’un micro-chromatographe en phase gazeuse. Des essais de caractérisation de la surface, au travers d’analyses de microscopie à balayage électronique, de spectrophotométrie à rayon X et des analyses BET ont permis d’avoir une idée plus précise de la surface du nickel fritté. Ces analyses ont également été effectuées après réaction, de manière à obtenir plus d’informations sur l’évolution de l’état de surface au cours de la réaction. Différents essais ont ensuite été effectués pour différentes températures et différentes granulométries qui nous ont permis de proposer un mécanisme de la dégradation du méthanol au contact du matériau constituant la mèche poreuse. Enfin, des premiers tests ont été effectués sur la boucle fluide diphasique de manière à étudier la dégradation du méthanol dans des conditions proches de celles qui seront rencontrées dans les boucles industrielles. / In the railway field the constraints on electric traction systems are such that these systems constitute a separate branch of electronics, called "power electronics". Furthermore, the needs for cooling these systems are increased by the presence of very high electrical currents flowing in these systems. An adaptation to the railway field of two-phase fluid capillary pumped loops, initially designed for space applications, could be an advantageous response to this cooling need. The capillary pumped loops are passive and modular heat transfer devices, characterized by their highly efficient and highly reliable behavior. The vaporization of the heat transfer fluid takes place in a porous wick, generating a pressure difference between the vapor and the liquid phase, allowing the setting in motion of the fluid throughout the system. They therefore operate without pump or any mechanical element to set the fluid in motion. Adaptations have been made by ALSTOM and EHP (Euro Heat Pipe) on these loops, leading to a prototype called "Capillary Pumped Loop for Integrated Power" (CPLIP). The goal of this PhD, in this context, is to study the chemical compatibility of methanol, which is the fluid used in the CPLIP, with the material of the CPLIP wick based on sintered nickel. Their compatibility will be mainly studied for temperatures higher than those currently encountered in the loop, to take into account the increase of operating temperature due to the development of silicon carbide in power electronics.Two test benches have been developed specifically for the study of the aging of a couple fluid/catalytic solid in contact. The first one is a batch reactor used to determine the reaction kinetics. A second test bench has been designed with the aim to partially reproduce the operating conditions of the CPLIP. Because of the constraints related to the study of the reaction including analysis of the chemical compounds, it was not possible to generate capillary pumping to the setting in motion of the fluid. A gravitational two-phase fluid loop has therefore been developed. Since the use of this process is quite complex, a part of this work is devoted to describe its thermal behavior, using experimental results as well as a simple numerical model. On these two test benches, a gas chromatograph was used to perform chemical analyzes. Surface characterization tests, using scanning electron microscopy, X-ray spectrophotometry and BET analyzes, provided a more accurate knowledge of the surface area of the sintered nickel. Analyzes were also carried out after reaction, in order to obtain more information on the evolution of the surface state during the reaction. Various tests were then carried out for different temperatures and particle sizes which allowed us to offer a degradation mechanism of methanol in contact with the nickel of the porous wick. Finally, first tests were carried out on the gravitational two-phase fluid loop in order to study the degradation of methanol under conditions representative to those encountered in industrial loops

Capillary pumped loop (CPL) and loop heat pipe (LHP), are two-phase heat transport devices which rely on surface tension induced by a fine pore wick to drive a working fluid in a loop. These are based on a working principle similar to that of heat pipes -closed evaporation and condensation cycle being maintained by capillary pumping. CPLs and LHPs are gaining importance as a part of the thermal control system of modern high power spacecraft, electronic thermal management, cryogenics, etc. A mathematical model to simulate the thermo-hydraulic performance of CPLs and LHPs is developed to aid in the design of such a spacecraft thermal control system. In this study a unified mathematical model to estimate thermal and hydraulic performance of a CPL and an LHP -with a two-phase or a hard-filled reservoir is presented. The steady state model is based on conservation of energy and mass in the system. Heat exchanges between the loop and the surroundings and pressure drops in the loop are calculated. The constant conductance regime in a CPL or an LHP occurs when the reservoir is hard-filled. It also occurs in an LHP if the condenser is fully utilised. The heat leak across the wick becomes significant in a hard-filled LHP since the core is no longer saturated and hence the mass flow rate must be calculated using an energy balance on the outer surface of the wick. Theoretical studies indicate that the core of a hard-filled CPL and LHP is always sub-cooled. Hard-filled LHPs (with a bayonet) cannot be operated under all conditions. If the heat exchange between the compensation chamber (of an LHP with bayonet) and the ambient is small then such an LHP will not deprime if the hard-filling occurs before the condenser opens. Deprime due to hard-filling is not expected if it occurs after the condenser opens. A laboratory model is built to demonstrate the operation of these two devices and to correlate the theoretical predictions with the experimental observations. The CPL/LHP laboratory model is fabricated and designed so that different evaporator and reservoir designs can be integrated into the test-rig and tested with different working fluids. Experiments are conducted on a three-port CPL with a tubular axially grooved (TAG) evaporator. This CPL is operated with three different fluids -namely -Ammonia, Acetone and R134a. The CPL is operated for heat loads in the range of 75W to 400W with sink temperatures of -10◦C and 0◦C. The influence of reservoir temperature (35◦C and 43◦C) is also studied. The TAG evaporator is modified to operate in an LHP mode with R134a as the working fluid with heat loads in the range of 75W to 150W. This LHP does not exhibit typical “√” shaped operating characteristic due to large liquid inventory in the compensation chamber (CC). The R134a based LHP results suggest that large liquid inventory (in the CC) and absence of secondary wick significantly influence the thermal coupling between the core and the compensation chamber. Experiments are also conducted with a flat plate (FP) evaporator, in LHP operating mode, with Ammonia as the working fluid. This LHP can transport heat loads from 25W to 300W with a sink temperature at -15◦C. The experimental results indicate that ammonia is the best working fluid (moderate temperature regime) among all the working fluids tested, and that evaporation heat transfer coefficients in sintered Ni-wick are better. The correlation of the predicted temperatures on the transport lines and the saturation temperature (in LHPs) with the observations is good. Some of the salient conclusions from these experiments are that mass of charge can significantly influence the operating characteristics of a TAG LHP, even though the fluid in the CC is in two-phase condition. Theoretical predictions can be significantly affected when thermal and hydraulic development lengths in the condenser are comparable with the length of the sub-cooling section.

Η παρούσα έρευνα πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Ρευστομηχανικής και Εφαρμογών Αυτής του Τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών και χρηματοδοτήθηκε από το πρόγραμμα «Ηράκλειτος ΙΙ» στα πλαίσια του Επιχειρησιακού Προγράμματος Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθησης, Επένδυση στη κοινωνία της γνώσης. Ο έλεγχος του θερμικού φορτίου στη λειτουργία διαφόρων μηχανολογικών ή ηλεκτρολογικών συστημάτων από συστήματα ψύξης, γίνεται όλο και πιο αναγκαίος στη σημερινή εποχή. Τα συστήματα ψύξης κατηγοριοποιούνται σε ενεργά, που μεταφέρουν ενέργεια υπό μορφή αισθητής θερμότητας μέσω ενός υγρού και σε παθητικά συστήματα ψύξης που χρησιμοποιούν τη λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης του ρευστού λειτουργίας που κυκλοφορεί στην εγκατάσταση, εξαιτίας των τριχοειδών δυνάμεων που αναπτύσσονται από την ύπαρξη πορώδους υλικού. Τα παθητικά συστήματα ψύξης προτιμώνται έναντι των ενεργών, καθώς έχουν τη δυνατότητα να απάγουν περισσότερη θερμότητα, παρουσιάζουν πιο αξιόπιστη λειτουργία, εξαιτίας της έλλειψης κινητών μερών και τέλος, εμφανίζουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Μία διάταξη που προσφέρει δυνατότητες ελέγχου του θερμικού φορτίου είναι το κύκλωμα τριχοειδούς αντλίας, Capillary Pump Loop (CPL), που αποτέλεσε και το αντικείμενο μελέτης στην παρούσα διδακτορική διατριβή. Αξιοποιεί τις τριχοειδείς δυνάμεις που αναπτύσσονται στη διεπιφάνεια υγρής-αέριας φάσης του ρευστού λειτουργίας στο πορώδες υλικό που περικλείει ο εξατμιστής στο εσωτερικό του, καθώς και τη λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης και συμπύκνωσης του ρευστού. Με τον τρόπο αυτό, επιτυγχάνει την κυκλοφορία του ρευστού λειτουργίας στην εγκατάσταση, χωρίς την παρουσία μηχανικής αντλίας, και τη μεταφορά των απαιτούμενων θερμικών φορτίων σε μεγάλες αποστάσεις. Ένα κύκλωμα τριχοειδούς αντλίας αποτελείται από έναν εξατμιστή, ένα συμπυκνωτή, τις γραμμές υγρού και ατμού καθώς και ένα ρεζερβουάρ. Από τη μέχρι τώρα έρευνα είχαν μελετηθεί πειραματικά αρκετά μοντέλα CPL, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στη διαδικασία εκκίνησης της διάταξης καθώς και στις συνθήκες μόνιμης λειτουργίας. Σε όλα αυτά τα μοντέλα το θερμικό φορτίο επιβάλλονταν μέσω ηλεκτρικών αντιστάσεων. Στην παρούσα διερεύνηση η διάταξη ενσωμάτωσε τη δυνατότητα η προσφερόμενη θερμότητα να παρέχεται και από την ηλιακή ακτινοβολία αναπτύσσοντας έναν εργαστηριακό ηλιακό προσομοιωτή. Προκειμένου να βελτιώσουμε τη συγκέντρωση της ακτινοβολίας και να επιτύχουμε υψηλότερη θερμοκρασία στον εξατμιστή του CPL χρησιμοποιήθηκε παραβολικό κάτοπτρο σε συνδυασμό με συγκεντρωτικό συλλέκτη. Η πειραματική εγκατάσταση που σχεδιάσθηκε και κατασκευάστηκε είχε ως στόχο τη μελέτη της συμπεριφοράς του CPL σε θερμικά φορτία υπό μεταβλητές συνθήκες πλήρωσης της εγκατάστασης, ενώ εξετάστηκε και η συμπεριφορά της τριχοειδούς αντλίας όταν ο εξατμιστής βρίσκονταν υπό κλίση ως προς το επίπεδο, και έγινε σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων που προέκυψαν με τα αντίστοιχα για λειτουργία σε οριζόντιο επίπεδο. Η παραμετροποίηση της πειραματικής διερεύνησης του CPL αφορούσε τέσσερις τιμές θερμοκρασίας εισόδου του ρευστού, 15, 25, 35 και 45 οC, τρεις τιμές πίεσης πλήρωσης του κυκλώματος, 0,05, 0,15 και 0,25 bar, και, τέλος, τρεις γωνίες κλίσης, 8ο, 16ο και 23ο. Η διάρκεια των πειραμάτων ήταν αρχικά δέκα ώρες, ώστε να προσομοιώνει τη λειτουργία της εγκατάστασης σε διάστημα ηλιοφάνειας κατά τη διάρκεια της καλοκαιρινής περιόδου, αλλά και εικοσιτέσσερις, ώστε να αποτυπωθεί η απρόσκοπτη διατήρηση της κατάστασης σταθερής λειτουργίας του κυκλώματος. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής παρουσιάζονται τα υπολογιστικά μοντέλα δύο και τριών διαστάσεων, 2Δ και 3Δ, όπως σχεδιάστηκαν στο λογισμικό GAMBIT της Fluent Inc., βάση των διαστάσεων του εξατμιστή της πειραματικής εγκατάστασης. Τα αποτελέσματα της διερεύνησης που πραγματοποιήθηκε αφορούσαν το νερό, την ακετόνη, την αμμωνία σαν ρευστά λειτουργίας, τόσο στο επίπεδο όσο και υπό γωνίες κλίσης, παραμετροποιώντας τόσο το θερμαινόμενο μήκος πορώδους επί του συνολικού μήκους του πορώδους του εξατμιστή, όσο και τη θερμοκρασία κορεσμού. Τα δεδομένα για όλα τα ρευστά συγκεντρώθηκαν σε συγκριτικά διαγράμματα, ώστε να εξαχθούν συμπεράσματα για τα περιθώρια αξιοποίησης αυτών, είτε υπάρχει κλίση είτε όχι. Επιπλέον, τεκμηριώθηκε η επιλογή του νερού σαν καταλληλότερο ρευστό λειτουργίας κάτω από δεδομένες συνθήκες. Στο τρίτο μέρος παρουσιάζεται ο αριθμητικός κώδικας που δημιουργήθηκε για τη μοντελοποίηση ολόκληρης της εγκατάστασης του CPL και παραθέτουμε συγκριτικά διαγράμματα, για τις ίδιες συνθήκες λειτουργίας, με τα πειραματικά, τα αριθμητικά και τα υπολογιστικά αποτελέσματα. Στο τελευταίο μέρος έχουμε σχεδιάσει κυκλώματα, αξιοποιώντας την τριχοειδή αντλία, για τη ψύξη/θέρμανση των χώρων μιας κατοικίας για ολόκληρο το έτος. Μια πρόταση που βασίζεται στην αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας και ανταποκρίνεται στην επιτακτική ανάγκη για εκμετάλλευση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και τη μείωση της χρήσης ηλεκτρικής ενέργειας, εξοικονομώντας χρήματα και προστατεύοντας το περιβάλλον / Present research was conducted in Fluid Mechanics Laboratory of the Mechanical Engineering and Aeronautics Department, University of Patras, and was financed by the operational programme «Herakleitos II», Education and Lifelong Learning Investing in knowledge society. Modern demands in controlling heating load of the cooling systems of mechanical or electrical components are increasing. Cooling systems are divided in active and passive systems. In active systems energy is transported due to sensual heat. While in passive systems due to working fluid latent heat of evaporation because of capillary forces developed in the porous wick inside the evaporator. Passive systems are preferred compared to active systems because they can transfer larger amount of heat, are more reliable, since there are no moving parts, and, finally, lifetime period is longer. The Capillary Pumped Loop (CPL) is a device proper for thermal management control, and was investigated in the present PhD study. The CPL operating principle is based on capillary action, developed in the liquid-vapor phase interface of the working liquid in the porous wick inside the evaporator, and working fluid evaporation and condensation latent heat. The result is that the working fluid is displaced inside the loop without any mechanical pump and heat load is transported in large distances. CPL main components are an evaporator, a condenser, a liquid line, a vapor line and a reservoir. Research regarding the CPL experimental models so far concentrated in the evaporator start-up and steady working state conditions. For all those cases heat load was applied through electric resistances. In the present study heat load was alternatively applied through solar radiation using a solar simulator, designed for this purpose. In order to achieve higher temperature in the evaporator external wall and increase solar radiation exploited, a parabolic mirror was used in combination with a solar collector. The experimental installation was designed in such a way to study the behavior of a CPL when heat load was imposed under different loop charging pressures and for several evaporator inclination angles. Experimental results where compared to the results acquired for evaporator operating at zero inclination angle. The initial values of the working fluid temperature were 15, 25, 35 and 45 oC, of the charging pressure 0,05, 0,15, 0,25 bar and of the inclination angle 8, 16 and 23o. The duration of the experiments was initially ten hours, in order to simulate CPL operating during a typical summer day, and then increased to twenty four hours to investigate continuous operation during all day. In the second section of this study two and three dimensions, 2D and 3D, computational models are presented designed in Gambit, Fluent Inc., based on the exact dimensions of the experimental ones. Computational results were derived for water, acetone and ammonia, as working fluid, for zero inclination and the three values of angles mentioned above. Models were customized for different porous wick heated length and working liquid of different saturation temperature. Comparative figures for all working fluids are presented whether evaporator was under inclination angle or not. Moreover, those comparative figures reviled that water was more suitable as working fluid under steady operating state. In the third section the numerical model simulating the overall CPL function is presented and comparative figures between experimental, computational and numerical results are given, for the same operating conditions. In the last section a potential solar CPL heating/cooling system for domestic use is presented. This potential system could meet the demands for using renewable energy sources in order to reduce electrical energy consumption, save money and protect the environment at the same time.

Passive two-phase cooling devices such as capillary pump loops, loop heat pipes, and vapor chambers can utilize capillary-fed boiling in the porous evaporator wick to achieve high heat flux dissipation, while maintaining low thermal resistances. These systems typically rely only on passive capillary pumping through the porous wick to transport fluid. This inevitably leads to limits on the maximum heat flux and power dissipation based on the maximum capillary pressure available. To overcome these capillary pumping limitations in these passive devices, a mechanical pump can be added to the system to create a pump-assisted capillary loop (PACL). The pump can actively transport the fluid to overcome the pressure drop in liquid lines, reserving all of the available capillary action to draw liquid from a compensation chamber into the porous evaporator at the location of the heat input.<br>Previous studies on pump-assisted capillary loops have used a porous pathway to draw liquid to the heated evaporator surface from a liquid supply in the compensation chamber. This pathway typically comprises porous posts distributed over the heated surface area to ensure uniform liquid feeding during boiling and to avoid dryout regions. This thesis presents an evaporator design for a pump-assisted capillary loop system featuring a non-porous manifold connection between the compensation chamber and the evaporator wick base where boiling occurs. By using this approach, microscale liquid-feeding features can be implemented without the manufacturing restrictions associated with the use of porous wick pathways (such as sintered powder copper particles).<br>An analytical model for two-phase pressure drop prediction in the base wick is developed and used to define the evaporator geometry and feeding structure dimensions. A parametric analysis of the evaporator geometry is performed with the target of achieving a maximum heat dissipation of 1 kW/cm2 without a capillary limit. A 24 x 24 microtube array configuration with an outside tube diameter of 0.25 mm was identified as a result of this analysis. This manifold delivers liquid the base wick manufactured from sintered copper particles with a mean particle diameter of 90 microns. <br>The resulting evaporator geometry was translated into a manufacturable copper manifold design. A modular test section design consisting of a cover for attachment of fittings, a support structure for holding the manifold, a sintered copper wick base, and a carrier plate was created and manufactured, to accommodate for future testing scheduled to be performed by an external industry partner. The resulting design provides a testing vehicle to investigate the effect of different tubing arrangements and dimensions, as well as multiple base wick configurations. This knowledge can be used to engineer future evaporator architectures for enhanced performance. The improved understanding providing on the effect of liquid feeding distribution into the base wick, the effects of boiling on the base wick pressure drop, and the manufacturing limitations can each improve the performance prediction of evaporators with top feeding. <br>