Study of local heat transfer and identification of flow patterns during condensation in a silicon microchannel.
Etude du transfert thermique local et identification des structures d'écoulement lors de la condensation dans un microcanal en silicium.
Résumé
The use of micro-channels offers an advantage of contributing to a significant increase in the compactness of heat exchangers and improves systems energy performance. The study of two-phase flow patterns and local heat transfers represent a real scientific obstacle given its effect on the life and energy performance of energy systems such as fuel cells and miniature coolers. Unfortunately, the appearance of hydrodynamic flow and heat transfer (measurement of heat flux densities and local heat exchange coefficients) in a single micro-channel is still unclear. As part of this thesis, we are interested in studying the various phenomena occurring during condensation in a single micro-channel by identifying the various hydrodynamic instabilities and deducting the various physical mechanisms influencing heat transfer coefficients. To this end, we developed a test bench for testing the condensation in micro-channels and wherein the micro-channel is instrumented with micro-thermocouples 20 µm in diameter. This aspect of micro-instrumentation represents a genuine originality of this work because it allows to measure local surface temperatures along the micro-channel. A speed camera is used for visualization of flow patterns in condensation occurring in micro-channel. An image processing procedure is developed to characterize the different parameters of the two-phase flow in the micro-channel. i.e. : bubble size, range of bubbles, the meniscus shape, speed and frequency of bubble, etc... The influence of these parameters on the flow patterns and the intensification of transfer are studied. It is shown that the presence of unsteady flows and cyclical change structure during each period. The temperature variation for each period is related to the structure of the condensate flow in the micro-channel. We also identified different developed flow structures. We also demonstrated that the local thermal flux density depends not only on the mass flux and condensation rate but also on the structure of the flow condensation. Finally, our results demonstrate the influence of microstructure on the surface flow structure during condensation in a micro-channel and provide new methods for improving the heat intensification.
L'utilisation des micro-carnaux a l'avantage de contribuer à une augmentation significative de la compacité des échangeurs de chaleur et à une amélioration des performances énergétiques des systèmes. L'étude des régimes d'écoulements diphasiques et des transferts thermiques locaux représentent un véritable verrou scientifique vu son effet sur la durée de vie et les performances énergétiques des systèmes énergétiques tels que les piles à combustible et les refroidisseurs miniatures. Malheureusement, l'aspect hydrodynamique de l'écoulement et du transfert thermique (mesure des densités de flux thermique et des coefficients d'échange thermique locaux) dans un seul micro-canal demeure toujours mal connu. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à étudier les différents phénomènes se produisant lors de la condensation dans un seul micro-canal en repérant les différentes instabilités hydrodynamiques et en analysant les différents mécanismes physiques influençant les coefficients d'échange thermique. A cette fin, nous avons développé un banc d'essais pour tester la condensation en micro-canaux et dans lequel le micro-canal est instrumenté par des micro-thermocouples de 20 µm de diamètre. Cet aspect micro-instrumentation représente une véritable originalité de ce travail de thèse car il permet de mesurer les températures de surface locales tout au long du micro-canal. Une camera rapide est utilisée pour la visualisation des structures des écoulements se produisant en condensation dans le micro-canal. Une procédure de traitement d'images est développée pour caractériser les différents paramètres de l'écoulement diphasique dans le micro-canal, à savoir : taille des bulles, parcours des bulles, forme du ménisque, vitesse et fréquence des bulles, etc. L'influence de ces paramètres sur les structures des écoulements et sur l'intensification des transferts est étudiée. On montre que la présence des écoulements instationnaires et cycliques qui changent de structure durant chaque période. La variation de la température pour chaque période est reliée à la structure de l'écoulement en condensation dans le micro-canal. On a aussi identifié des écoulements développés de différentes structures. Nous avons aussi mis en évidence que la densité du flux thermique local dépend non seulement du flux massique et du taux de condensation mais également de la structure de l'écoulement en condensation. Enfin, nos résultats donnent une démonstration sur l'influence de la micro-structuration de surface sur la structure d'écoulement lors de la condensation dans un micro-canal, et fournissent de nouvelles méthodes pour l'amélioration de l'intensification thermique.