Transient thermodynamic modeling of capillary pumped loop for railway traction : study of the phase change phenomenon inside the evaporator

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