Offres de thèses
Etude expérimentale d’un échangeur de chaleur diphasique en circuit fermé basé sur le principe du thermosiphon
CAMPAGNE DE RECRUTEMENT 2024 - ED 269 MSII
Dans le cadre du projet Interreg Rhin Supérieur (financement Européen et des régions du Rhin supérieur) 2PhaseEx, Développement d’un échangeur de chaleur diphasique en circuit fermé basé sur le principe du thermosiphon utilisant des fluides respectueux de l’environnement pour la récupération d’énergie thermique, 3 doctorants seront recrutés, l’un basé à la Hochschule Karlsruhe travaillant principalement sur les fluides réfrigérants respectueux de l’environnement, les deux autres, dans l’équipe Mécanique des Fluides d’ICube, l’un en simulation numérique de l’échangeur diphasique, l’autre sur l’étude expérimental de ce même échangeur.
Contexte : De nombreux processus, qu'ils soient industriels (par exemple le refroidissement du fer, du verre, de colonnes à distiller), tertiaires (centres de données, serveurs etc.) ou même domestiques (refroidissement des batteries électriques, climatisation), impliquent des processus de refroidissement où de la chaleur est perdue. À titre d'exemple, on estime que les centres de données consomment environ 2 % de l'électricité mondiale (Haynau et al. 2021) et que 30 à 50 % de cette énergie électrique est utilisée pour le refroidissement (Amalfi et al. 2020). Cette énergie pourrait être réutilisée au lieu d'être rejetée à l'air libre, dans les rivières, nappes phréatiques et lacs ou dans les océans. L'objectif de ce projet est de développer et de tester un Echangeur de Chaleur Diphasique en circuit fermé basé sur le principe du Thermosiphon (ECDT, voir Fig. 1) avec lequel il sera possible de réutiliser l'énergie thermique.
L’ECDT diffère des caloducs aussi nommés ‘heat pipes’ car dans le cas de l’échangeur diphasique, le fluide est mis en mouvement par gravité (en utilisant le principe du thermosiphon, les bulles de vapeurs vont monter et entraîner le fluide avec elles), alors que dans les ‘heat pipe’, le fluide est mis en mouvement par des forces de capillarité et leur capacité de transférer de la chaleur est de ce fait limitée.
L'application cible de ce projet est le refroidissement de puces générant jusqu'à 600 - 800 watts (Marcinichen et al. 2021) sur une surface typique de 4x4 cm2, (Haynau et al. 2021) à des températures de 55°C (55°C est encore une valeur sûre selon (Marcinichen et al. 2021)).
Les avantages des échangeurs diphasiques basés sur le principe du thermosiphon sont les suivants : (i) ils sont très efficaces pour extraire densément de la chaleur, (ii) ils ne nécessitent pas de pompe (moins d'apport d'énergie) grâce à leur principe de thermosiphon, (iii) ils sont capables de se réguler eux-mêmes (pas d'utilisation d'électronique), (iv) ils sont capables d'extraire la chaleur avec un minimum de résistance car ils sont basés sur la chaleur latente qui évapore une partie du fluide qui est condensée dans le condenseur avec une très faible perte de température. La chaleur récupérable a une température plus élevée que dans les échangeurs traditionnels et est donc plus facile à réutiliser, par exemple pour le chauffage des locaux ou le préchauffage de l'eau chaude sanitaire.
Les échangeurs diphasiques basés sur le principe du thermosiphon qui seront développés dans le cadre de ce projet sont innovants car ils seront également applicables à petite échelle (les processeurs sont généralement des carrés de quelques centimètres de côté), et ils utiliseront des fluides respectueux de l'environnement. Après l'interdiction de la plupart des fluides frigorifiques à base d'halocarbures en raison de leurs effets sur l'appauvrissement de la couche d'ozone et donc du réchauffement de la planète, des fluides diélectriques comme le Novec ont été utilisés. Ils ne sont pas toxiques, ont peu d'effet de serre et ne détruisent pas la couche d'ozone. Mais en raison de leur structure moléculaire, ils sont très stables et peuvent présenter un risque pour l'environnement et la santé humaine. Une récente proposition de l’Union Européenne demande donc de réguler voir d’interdire ces fluides qui font partie des polluants éternels.
Le travail demandé comportera 4 volets (ce travail sera partagé avec les encadrants et le doctorant de Karlsruhe):
1. Choix de la géométrie et du traitement de surface de l'évaporateur pour améliorer l'ébullition
Les canaux de l'évaporateur seront de taille millimétrique, car l'une des applications visées est le refroidissement des processeurs où une puissance allant jusqu'à des centaines de watts doit être extraite sur une surface limitée (typiquement 40 x 40 mm2). La tension superficielle de l'eau est beaucoup plus élevée que celle des fluides diélectriques fluorés utilisés actuellement. Pour ces dimensions, la tension superficielle est un facteur à prendre en compte car elle influence l'ébullition et le mouillage de la surface de l'évaporateur. Le matériau de l'évaporateur est important. Selon (Elkholy et al. 2022) la fabrication additive semble préférable et le traitement de surface - densité du site de nucléation - présence de fissures - présence d'aiguilles métalliques est de la plus haute importance (Upot et al. 2023). Le but de cette étude est de rechercher une géométrie d’échangeur et un traitement de surfaces permettant d’optimiser le taux de transfert de chaleur par ébullition dans l’évaporateur.
2. Construction et test d'un pilote à l'échelle du laboratoire
Un pilote de laboratoire doit être conçu (évaporateur, diamètre du riser, du downcomer, Amalfi et al. 2020) avec des parties transparentes pour l'observation par caméra rapide (ébullition, bulle montante, condensation), et des mesures du champ d'écoulement par PIV (Particle Image Velocimetry) ou ultrasons. Il devra être modulable pour tester différentes configurations. Il doit être équipé d'un manomètre, de nombreuses sondes de température, de la possibilité de modifier le taux de remplissage (vide puis pompe seringue haute pression pour introduire une quantité connue de fluide) et d'une alimentation électrique précise pour chauffer l'évaporateur. L'influence du fluide frigorifique, de la chaleur à transférer, de la température de l'évaporateur et du taux de remplissage sur le transfert de chaleur seront étudiés.
3. Optimisation des conditions d'écoulement pour minimiser les instabilités d'écoulement dans le thermosiphon et les régimes transitoires - évaluation de la récupération d'énergie au condenseur
En fonctionnement, les Echangeurs de Chaleur Diphasiques en circuit fermé basé sur le principe du Thermosiphon sont souvent sujets à des instabilités telles que l'ébullition du Geyser lorsque le taux de remplissage est faible ou modéré (Yao et al. 2022, Elkholy et al. 2022), ou la surchauffe de l'évaporateur lorsque le mouillage de la surface n'est pas bon (cela se produit généralement lorsque le taux de remplissage est faible). Ces instabilités devront être étudiées, ainsi que les comportements transitoires. Étant donné que le mouvement du fluide est induit par le thermosiphon et non entraîné par une pompe externe, l'établissement d'un régime permanent n'est pas instantané, mais la durée de ce régime transitoire doit être courte car les changements dans les besoins de refroidissement sont fréquents. L’énergie thermique qu'il est possible de récupérer au condenseur avec un échangeur à plaques (température, quantité) sera aussi évalué. Ce travail d’acquisition de données constitue la partie expérimentale du projet, complémentaire de la partie numérique sujet d’une thèse menée en parallèle. Un échange constant entre construction d’un modèle numérique fiable par acquisition de données expérimentale et simulations numériques de différentes géométries devra être la clé de l’optimisation du dispositif.
4. Essais sur site (dans un centre de données) de l'échangeur de chaleur à deux phases et de la récupération de chaleur en collaboration avec le 2CRSI
Dans ce dernier volet, un échangeur de chaleur diphasique sera conçu et construit selon les exigences industrielles sur un serveur d'un rack produit par notre membre associé 2CSRI dans un centre de données, grâce aux connaissances acquises précédemment. Il sera testé sur site en conditions réelles. Le condenseur sera un échangeur de chaleur à plaques dont la résistance thermique et la perte de pression seront minimales. Une boucle secondaire échangera la chaleur provenant du condenseur (chaleur d'environ 40°C à 50°C) dans cet échangeur de chaleur à plaques, et cette chaleur sera réutilisée pour le chauffage des locaux (chauffage par le sol, grand radiateur), le préchauffage de l'eau domestique, ou le chauffage d’un procédé industriel. Des essais sont aussi envisagés chez BDR Thermea – De Dietrich Thermique de Merztwiller. Dans la pompe à chaleur de leur chauffe-eau thermodynamique, BDR Thermea utilisent un échangeur à changement de phase. Des essaies avec de l’eau sous faible pression et un évaporateur aux surfaces traitées, instrumenté par nos capteurs (capteur de température, pression, taux de vide par ultrason) pourraient fournir des données inédites sur ces systèmes et leur physique et devraient mener à une optimisation de leur fonctionnement ainsi qu’à la construction d’un outil de simulation efficace.
Compétences demandées :
Compétence en mécanique des fluides expérimentale,
Intérêt pour l’environnement et la transition énergétique
Aptitude à échanger et travailler avec les autres doctorants du projet
Rédaction de rapports et de publications, présentations lors de séminaires, workshop, congrès
Informations pratiques :
La thèse se déroulera du 01/09/2024 au 31/08/2028
Le laboratoire d’accueil est :
Equipe Mécanique des Fluides du Département Mécanique d’ICube, UMR 7357,
1 cours des Cigarières,
67000 Strasbourg
Contact : D. Funfschilling dfunfschilling@unistra.fr
Contact : P. Francois pierre.francois@unistra.fr
Contact : A. Ghenaim ghenaim@unistra.fr
Amalfi R. L., Cataldo F., Marcinichem J. B., Thome J. R. (2020) Experimental characterization of a server-level thermosiphon for high-heat flux dissipations, 19th IEEE ITHERM Conference, San Diego CA, USA, 21-23 July 2020
Elkholy A., Unlusoy C., Kempers R., (2022) Thermal performance of a two-phase loop thermosiphon with an additively manufactured evaporator, Applied Thermal Engineering, 202 117692
Haynau R., Marcinichen J. B., Amalfi R. L., Cataldo F., Thome J. R. (2021) Thermosiphon simulation code: transient thermal performance and experimental validation, 20th IEEE ITHERM Conference, San Diego CA, USA, 1-4 June 2021
Marcinichen J. B., Arnas G., Rouaze G., Thome J., R., Zhang L. W., (2021) Air-cooled loop thermosithon coolin system for high heat load CPUs – Part I: Design and performance simulation, IEEE Transactions of components, Packaging and Manufacturing Technologies, 11, 1679-1686
Upot N., V., Rabbi K., F., Khodakarami S., Ho J.-Y., Mendizabal J. K., Milijkovic N., (2023) Advances in micro and nanoengineered surfaces for enhancing boiling and condensation heat transfer: a review, Nanoscale Advances, 5, 1232-1270
Yao M., Gan Y., Luo Q., Li R., Liu R., Feng J., (2022) Experimental study on the effect of filling ratio on an R141b two-phase thermosiphon loop with a horizontal parallel tube evaporator, Int. J. of Refrigeration, 137, 230-2431