Analyse du transfert de chaleur par ébullition et condensation à l’Intérieur d’un caloduc horizontal

Abstract

L'utilisation de différents types de caloducs dans les systèmes de climatisation, de ventilation et d'évacuation de la chaleur a considérablement augmenté. Les caloducs sont des dispositifs de transfert de chaleur à deux phases générant un flux de chaleur élevé avec un faible gradient de température et une perte de charge minimale. La réduction des coûts de maintenance est l'un des avantages de l'utilisation de caloducs, due à l'absence de pièces mécaniques, à la réduction de l'espace occupé et à la surveillance, la fabrication et la maintenance simplifiées. Les caloducs sont des conducteurs thermiques très efficaces en raison des flux de chaleur élevés obtenus lors de l’évaporation et de la condensation du fluide de travail. Pour optimiser les performances d'un caloduc, il est nécessaire d'étudier précisément ce qui se passe à l'intérieur des sections de l'évaporateur et du condenseur. Ce projet consiste à développer un modèle numérique simulant un écoulement diphasique à l'intérieur d'un caloduc à l'aide de codes CFD développés dans OpenFOAM. Le modèle est capable de prédire les principales variables représentant le comportement des deux phases telles que la vitesse, la température, la pression et la fraction volumique de chaque phase dans l’évaporateur ou le condenseur. Une attention particulière est consacrée à la simulation de la condensation car il n'existe pas de modèle numérique de ce type dans la littérature pour l'analyse du transfert de chaleur par condensation. En outre, une combinaison d'ébullition et de condensation dans un caloduc est une autre contribution de ce travail. Dans ce projet, le modèle de fractionnement du flux thermique de la paroi dans le cadre de l’approche eulérienne en deux phases a été appliqué. L'effet du transfert de quantité de mouvement et du transfert d'énergie entre les deux phases est également pris en compte. La capacité du modèle numérique a été validée par des données expérimentales obtenues à partir d’essais réalisés sur un prototype construit à l’Université de Sherbrooke. Ensuite, un modèle validé est utilisé pour évaluer les performances de ce caloduc. Enfin, deux types de structures de gorge ont été suggérés et des tests expérimentaux ont été effectués pour étudier toute amélioration des performances du caloduc.

Abstract: The usage of different types of heat pipe in air conditioning, ventilation and heat removal systems has tremendously increased. Heat pipes are two-phase heat transfer devices and they are generating high heat flux with minimum temperature gradient and pressure drop. Lower service costs, due to the absence of mechanical parts, less occupied space and easier monitoring, manufacturing and maintenance are some of the advantages of using heat pipes. Heat pipes are highly effective thermal conductors due to the high heat fluxes obtained during boiling and condensation. For the optimization of heat pipe performances, it is necessary to study what happens inside the evaporator and condenser sections, precisely. This project deals with the development of a numerical model to simulate the two-phase flow inside of the heat pipe using CFD codes developed in OpenFOAM. The model is able to predict the main two-phase variables such as velocity, temperature, pressure and volume fractions of each phase in the evaporator or condenser. Special attention is devoted to the simulation of condensation since there is no such numerical model in the open literature for the analysis of condensation heat transfer. In addition, the combination of boiling and condensation inside the heat pipe is another contribution of this work. In this project, a wall heat flux partition model in the framework of two-phase Eulerian approach has been applied. The effect of the interfacial momentum and energy transfer between the two phases is also taken account. The capability of numerical model was validated by comparing numerical prediction with experimental data obtained from tests which have been conducted using a built-up prototype designed at Université de Sherbrooke. Then, the validated numerical model is used to assess the performances of this heat pipe. Finally, two types of grooves have been suggested and some experimental tests were performed to investigate any improvement in the heat pipe performance.