Experimental and theoretical study of transfer phenomena in flat heat pipes
Analyse phénoménologique du fonctionnement de diffuseurs thermiques diphasiques (caloducs plats) par voies expérimentale et numérique
Résumé
The present work is devoted to an investigation of the physical mechanisms involved in flat plate heat pipes (FPHP). FPHPs are passive devices able to transfer high heat fluxes with low temperature differences owing to phase change heat transfer andcapillarity. Two FPHPs made of copper have been studied. Their capillary structures consist of longitudinal and crossed grooves respectively. The FPHPs are hermetically sealed with a transparent plate inorder to visualize physical phenomena that occur inside. Wall temperature profiles are recorded with thermistors, while the shape of the liquid-vapor interface is characterised by means of a confocal microscope. Visualizations by high speed camera show that nucleate boiling occurs in the evaporator for heat fluxes greater than 3 W.cm-2. Boiling improves heat transfer in the system and does not prevent the FPHP operation, contrarily to what is usually assumed in the literature. The impact of the filling ratio and of the vapor space thickness on
the performance of the system has been experimentally and theoretically studied for the FPHP with longitudinal grooves. An original experimental method has been developed in order to determine the curvature of the liquid-vapour interface in the capillary structure made of crossed grooves.
Experimental results have been compared to the results of thermal and hydrodynamic models, previously developed in the laboratory.
Le travail présenté dans ce mémoire concerne l'étude phénoménologique de diffuseurs thermiques diphasiques (DTD). Les DTD, aussi appelés caloducs plats, sont des systèmes passifs permettant de transférer une grande quantité de chaleur avec un faible gradient de température grâce au transfert avec changement de phase et aux phénomènes de capillarité. Deux DTD en cuivre, dont les structures capillaires sont composées soit de rainures longitudinales, soit de rainures croisées, ont été étudiés. Les DTD sont hermétiquement fermés avec une plaque transparente permettant la visualisation des phénomènes à l'intérieur du système. Le profil de température sur la paroi est mesuré à l'aide de thermistances tandis que la forme de l'interface liquide-vapeur dans la structure capillaire est caractérisée grâce à un microscope confocal. Des observations par caméra rapide ont permis de montrer que l'ébullition nucléée apparaît à l'évaporateur pour des flux thermiques supérieurs à 3 W/cm². L'ébullition améliore les échanges thermiques et n'empêche pas le fonctionnement du système, contrairement à ce qui est annoncé dans la littérature. L'influence de la charge en liquide et de l'épaisseur de l'espace vapeur sur la limite capillaire du système a été étudiée expérimentalement et théoriquement dans le cas du DTD à rainures longitudinales. Une méthode expérimentale originale a été mise en œuvre pour déterminer la courbure de l'interface liquide-vapeur dans la structure capillaire à rainures croisées. Les résultats issus des études expérimentales des deux DTD ont été comparés à ceux issus de modèles numériques thermique et hydrodynamique précédemment développés au laboratoire