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Transferts couplés de masse et de chaleur dans un élément d'évaporateur capillaire

Coquard, Typhaine (2006) Transferts couplés de masse et de chaleur dans un élément d'évaporateur capillaire. (Coupled heat and mass transfers in porous wick of capillary evaporators.)

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Abstract

Dans ce travail, on s'intéresse à une situation de vaporisation en milieu poreux en relation avec l'analyse des transferts couplés de chaleur et de masse dans les mèches poreuses des évaporateurs des boucles diphasiques à pompage capillaire. Cette situation est caractérisée par la formation d'une poche de vapeur au sein de la mèche et par l'existence d'un front de vaporisation interne formé par des ménisques stables. Dans un premier temps le problème de déplacement de ce front est analysé comme un problème de percolation en gradient dans lequel l'évolution du front résulte de la compétition entre une force stabilisante (viscosité) et une force déstabilisante (capillarité). On met en évidence qu'il est préférable d'éviter la situation où la croissance de la poche est dominée par la capillarité. Dans un second temps, un modèle numérique mixte combinant les équations de transport macroscopiques et la gestion des effets capillaires selon une approche réseau de pores est établi. Le bien-fondé de cette modélisation est validé à l'aide d'une expérience permettant la visualisation de la poche vapeur. L'exploitation du modèle permet d'étudier les performances de l'évaporateur en fonction de nombreux paramètres. En particulier, nous montrons qu'il est intéressant d'installer un verrou capillaire (couche de pores plus petits bloquant l'extension en profondeur de la poche vapeur) et un verrou thermique (couche isolante limitant fortement le flux parasite) pour optimiser les performances. ABSTRACT : In this thesis, we study the vaporisation of a liquid in a porous medium in relation with the analysis of coupled heat and mass transfers in the porous wick of loop heat pipe (LHP) capillary evaporators. This situation is characterised by the formation and the development of a vapour pocket within the porous medium and the existence of a vaporisation front formed by stable menisci. First, the front displacement is analysed as a problem of invasion percolation in a gradient in which the vapour pocket development is controlled by the competition between a stabilizing force (related to viscous effects) and a destabilizing one (associated with capillary effects). The study indicates that situations where the vapour pocket growth is controlled by capillary effects only must be avoided for capillary digitations are likely to lead to the system depriming. Then, a mixed numerical model combining heat and mass transfer volume-averaged governing equations and management of capillary effects according to a pore-network model is developed. The model validation is obtained by comparison with experimental visualizations of the vapour pocket in a physical model. Finally a sensitivity analysis is conducted and the evaporator performances are studied as functions of several parameters. In particular, we show that the performances are enhanced by using a capillary lock (porous layer made of small pores blocking the vapour pocket development towards the liquid supply) and a thermal lock (insulating layer limiting the parasitic flux).

Department or laboratory:Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse - IMFT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Prat, Marc
Uncontrolled Keywords:Milieu poreux - Changement de phase - Evaporateur - Capillarité - Thermique. KEYWORDS : Porous media - Phase change - Evaporator - capillarity - Thermic
Subjects:Hydraulics > Energetics and transfers
Deposited On:26 March 2007

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