Équipe MécaFlu - Mécanique des Fluides

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=== Contribution au développement d’une méthode de mesure optique résolue en temps pour l’étude du transport sédimentaire ===
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=== Etude expérimentale d’un échangeur de chaleur diphasique en circuit fermé basé sur le principe du thermosiphon ===
  
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'''CAMPAGNE DE RECRUTEMENT 2020 - ED 269 MSII'''
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'''CAMPAGNE DE RECRUTEMENT 2024 - ED 269 MSII'''
  
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Que ce soit du point de vue Européen ou plus récemment dans le cadre des Nations Unies, une priorité est d'assurer la disponibilité et la gestion durable de l'eau et de l'assainissement. Une gestion optimale des eaux de surface passe par l’évaluation de la charge de matières en suspension (MES) présents dans les écoulements urbains et naturels. Une mesure en temps réel de la concentration en MES, potentiellement polluantes, est obtenue par l’intermédiaire de la turbidité optique, technique de mesure massivement déployée sur le terrain.
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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.
  
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Des publications récentes [Rymszewicz 2017, Voichik 2017] ainsi que nos propres travaux se basant sur des mesures optiques et acoustiques conjointes [Pallarès 2017], révèlent des incohérences dans les données optiques. Dans des situations exceptionnelles comme des périodes pluvieuses en assainissement ou encore des crues en rivière, les données de turbidité optique sont fausses et peuvent conduire à une sous-estimation massive de la concentration des matières en suspension. Cette mauvaise interprétation peut avoir de lourdes conséquences sur le traitement et la gestion des eaux. Dans le cadre de l’assainissement, seuls nos travaux, basés sur l’étude du signal acoustique rétrodiffusé par le milieu, mettent en doute les mesures de turbidité optique.
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https://www.interreg-rhin-sup.eu/projet/2phaseex-developpement-dun-echangeur-de-chaleur-diphasique-en-circuit-ferme-base-sur-le-principe-du-thermosiphon-utilisant-des-fluides-respectueux-de-lenvironnement-pour-la-recuper/
  
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Avec le soutien de la SATT-Conectus, notre équipe est actuellement engagée dans la maturation d’une nouvelle technique de mesure en temps réel des concentrations en MES, fiable même en situation exceptionnelle et peu onéreuse destinée aux gestionnaires d’hydro-systèmes.
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'''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.'''
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Par conséquent, le but visé par cette thèse est l’élaboration d’une nouvelle approche instrumentale basée sur l’exploitation des signaux optiques obtenus par une méthode de mesure ultrarapide résolue en temps dans le domaine de la nanoseconde. Cette technologie permet également la mesure de la vélocité d’un fluide. La finalité de ces travaux est la livraison d’un prototype d’une instrumentation innovante capable de proposer des estimations de turbidité et/ou de concentrations conjointement à des mesures de vélocité. A l’heure actuelle, il n’existe aucun instrument commercial de ce type.
 
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Outre l’acquisition de données expérimentales, cette thèse focalisera sur l’analyse des données optiques et de leur inversion afin de proposer des modèles simples reliant le signal aux concentrations des particules en suspension, qui, combinées à la mesure de vélocité du fluide porteur permettra de remonter aux flux de particules dans l’écoulement.  
 
  
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Ces travaux seront effectués en étroite collaboration entre les équipes MécaFlu et SMH du Laboratoire ICube à Strasbourg.  
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[[Fichier:Echangeur Diphasique|vignette|Fig. 1: Echangeur de Chaleur Diphasique en circuit fermé basé sur le principe du Thermosiphon (ECDT ou Close loop thermosiphon, Amalfi et al. 2020)]]
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L’équipe MécaFlu maîtrise le développement instrumental et dispose de l’expertise de traitement et d’interprétation des signaux, l’équipe SMH maîtrise l’approche optique résolue en temps ultrarapide à faible coût dérivée de ses recherches sur l’imagerie médicale par voie optique.
 
  
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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.
  
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''' Contact : ''' A. Pallarès [mailto:anne.pallares@unistra.fr: anne.pallares@unistra.fr]
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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)).  
  
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''[Rymszewicz 2017] Rymszewicz, A., O'Sullivan, J. J., Bruen, M., Turner, J. N., Lawler, D. M., Conroy, E., & Kelly-Quinn, M. (2017). Measurement differences between turbidity instruments, and their implications for suspended sediment concentration and load calculations: A sensor inter-comparison study. Journal of Environmental Management, 199, 99.''
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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.
  
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''[Pallarès 2017] Pallarès A. Burckbuchler M., Fischer S., Schmitt P. (2017) Suspended Sediment Monitoring: Comparison between Optical and Acoustic Turbidity, Proceedings of the 14th International Conference on Urban Drainage, Prague, 10-15 September 2017.''
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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.
  
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''[Voichick 2017] Voichick N., Topping D.J, GriffithsR.E., (2018) Technical Note: False low turbidity readings during high suspended sediment concentrations, Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss.''
 
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=== Détermination des concentrations de matières en suspension en rivière et réseau d’assainissement par spectroscopie acoustique multi-moments ===
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'''Le travail demandé comportera 4 volets (ce travail sera partagé avec les encadrants et le doctorant de Karlsruhe):'''
  
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'''CAMPAGNE DE RECRUTEMENT 2020 - ED 269 MSII'''
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'''1. Choix de  la géométrie et du traitement de surface de l'évaporateur pour améliorer l'ébullition'''
  
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La mesure en continu des concentrations en matières en suspension constitue un enjeu crucial dans de nombreuses applications industrielles ainsi que pour l‘étude plus fondamentale des mécanismes du transport solide. Parmi les applications majeures on peut noter : la mesure du transport de sédiments par les rivières lors de crues ou de chasses de barrage, la détermination des rejets particulaires au milieu naturel lors du fonctionnement de déversoirs d’orage ou encore l’optimisation de la gestion des usines d’eau potable ou des stations d’épuration. A l’heure actuelle la seule mesure en continue disponible et applicable « in situ » est basée sur la turbidité optique, technique qui nécessite la connaissance préalable de la granulométrie des particules. Le plus souvent la seule technique fiable de mesure consiste à effectuer des prélèvements puis à analyser les échantillons en laboratoire, méthode à la fois onéreuse et ne fournissant que des informations ponctuelles spatialement et temporellement.
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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).  
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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.
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Une nouvelle technique de mesure est basée sur la spectroscopie acoustique. Les spectres d’intensités moyennes rétrodiffusées pour un certain nombre de fréquences ultrasonores sont analysés pour déterminer simultanément la concentration totale et la distribution granulométrique des particules. Il a été démontré aussi bien théoriquement qu’expérimentalement qu’une telle démarche ne peut donner de résultats satisfaisants que dans la mesure où l’ensemble des particules ont sensiblement les mêmes géométries et impédances acoustiques. Or les particules présentes dans la plupart des suspensions naturelles présentent une large diversité de caractéristiques acoustiques rendant ainsi insuffisante la seule analyse des spectres d’intensité moyenne rétrodiffusées. Une première amélioration de la détermination granulométrique peut être obtenue par la prise en compte additionnelle du spectre d’atténuation mais s’avère encore insuffisante.
 
  
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Ce projet de thèse a pour objectif l’amélioration des méthodes de mesure de concentration par spectroscopie ultrasonore un intégrant les moments d’ordres supérieurs à 1 dans l’analyse des caractéristiques acoustiques et granulométriques des particules et leur application aux mesures de matières en suspension en rivières et réseaux d’assainissement. En effet, à ce jour, seule l’intensité rétrodiffusée moyenne (moment d’ordre 1) est utilisée dans l’analyse granulométrique, or les moments d’ordre supérieurs sont eux aussi porteur d’une information indépendante et « gratuite » en termes de capteur. Cette information supplémentaire doit permettre de mieux prendre en compte la diversité des types de particules présentes dans les suspensions naturelles
 
  
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'''2. Construction et test d'un pilote à l'échelle du laboratoire'''
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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.
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'''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'''
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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.
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Ce travail d’acquisition de données constitue la partie expérimentale du projet, complémentaire de la partie numérique sujet d’une thèse menée en parallèle.
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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.
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'''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'''
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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.
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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.
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'''Compétences demandées :'''
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Compétence en mécanique des fluides expérimentale,
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Intérêt pour l’environnement et la transition énergétique
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Aptitude à échanger et travailler avec les autres doctorants du projet
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Rédaction de rapports et de publications, présentations lors de séminaires, workshop, congrès
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'''Informations pratiques :'''
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La thèse se déroulera du 01/09/2024 au 31/08/2028
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Le laboratoire d’accueil est :
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Equipe Mécanique des Fluides du Département Mécanique d’ICube, UMR 7357,
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1 cours des Cigarières,
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67000 Strasbourg
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''' Contact : ''' D. Funfschilling [mailto:dfunfschilling@unistra.fr: dfunfschilling@unistra.fr]
  
 
''' Contact : ''' P. Francois [mailto:pierre.francois@unistra.fr: pierre.francois@unistra.fr]
 
''' Contact : ''' P. Francois [mailto:pierre.francois@unistra.fr: pierre.francois@unistra.fr]
  
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'' Thollet, F., Le Coz, J., Antoine, G., François, P., Saguintaah, L., Launay, M., Camenen, B. Influence of grain size changes on the turbidity measurement of suspended solid fluxes in watercourses Influence de la granulométrie des particules sur la mesure par turbidimétrie des flux de matières en suspension dans les cours d'eau](2013) Houille Blanche, (4), pp. 50-56.''
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''' Contact : ''' A. Ghenaim [mailto:ghenaim@unistra.fr: ghenaim@unistra.fr]
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'' 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''
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'' 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''
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'' 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''
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'' 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''
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'' 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''
  
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'' Larrarte, F., François, P.“Attenuation of an ultrasonic beam by suspended particles and range of acoustic flow meters in sewer networks”(2012) Water Science and Technology, 65 (3), pp. 478-483.''
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'' 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''
  
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'' Pallarès, A., François, P., Pons, M.-N., Schmitt, P.“ Suspended particles in wastewater: Their optical, sedimentation and acoustical characterization and modelling ”(2011) Water Science and Technology, 63 (2), pp. 240-247''
 
  
 
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Version actuelle datée du 5 avril 2024 à 13:30

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.

https://www.interreg-rhin-sup.eu/projet/2phaseex-developpement-dun-echangeur-de-chaleur-diphasique-en-circuit-ferme-base-sur-le-principe-du-thermosiphon-utilisant-des-fluides-respectueux-de-lenvironnement-pour-la-recuper/

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.

Fichier:Echangeur Diphasique
Fig. 1: Echangeur de Chaleur Diphasique en circuit fermé basé sur le principe du Thermosiphon (ECDT ou Close loop thermosiphon, Amalfi et al. 2020)

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

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