Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie mécanique, Institut des sciences de l'énergie ISE (Laboratoire de transfert de chaleur et de masse LTCM)

Experimental two-phase fluid flow in microchannels

Revellin, Rémi ; Thome, John Richard (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3437.

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    Summary
    Micro or mini heat spreaders are used in the interest of providing higher cooling capability for microtechnologies. Heat spreaders using micro or mini channels are not yet well studied, for this the fundamentals of two-phase heat transfer in microchannels are being studied. Here, a comprehensive experimental two-phase flow study has been carried out on two single round tubes (D = 0.509 and 0.790 mm) and for two different fluids: R-134a and R-245fa. An optical measurement method for two-phase flow characterization in microtubes has been applied to determine the frequency of bubbles exiting a microevaporator, the coalescence rates of these bubbles and their lengths as well as their mean two-phase vapor velocity. Four principal flow patterns (bubbly flow, slug flow, semi-annular flow and annular flow) with their transitions (bubbly/slug flow and slug/semi-annular flow) were observed. A new type of flow pattern map for evaporating flow in microchannel has been developed. The first zone corresponds to the isolated bubble regime. It includes both bubbly flow or/and slug flow and is present up to the onset of coalescence. The second zone is the coalescing bubble regime. It is present up to the end of coalescence process. The third zone is the annular zone and is limited by the fourth zone of this diabatic map, the onset of critical heat flux. This flow pattern map can be used for heat transfer model and design of micro evaporator. The vapor velocity or cross sectional void fraction have been measured. For R-134a, the flow can be considered to be homogeneous (or near homogeneous). For R-245fa, more tests exhibit instabilities and surprisingly show vapor velocities below those of homogeneous flow. Frictional two-phase pressure drops have been measured over a wide range of conditions for the two microchannels and two fluids. Three regimes are distinguishable when regarding to the variation of the adiabatic frictional pressure drop with the vapor quality or the two-phase friction factor with the two-phase Reynolds number: a laminar regime for ReTP < 2000, a transition regime for 2000 ≤ ReTP ≤ 8000 and a turbulent regime for ReTP ≥ 8000. The turbulent two-phase flows are best predicted by the Müller-Steinhagen correlation. New accurate CHF data have been measured with the test facility. A new microchannel version of the Katto-Ohno correlation has been developed to predict the CHF in circular, uniformly heated microchannels. Moreover, a new transition curve from annular flow to dryout has been proposed.
    Résumé
    Les micro ou mini dissipateurs thermiques sont utilisés dans les microtechnologies pour leurs très hautes performances de refroidissement. Ces dissipateurs thermiques ne sont cependant pas encore suffisamment étudiés. Pour cette raison, une étude expérimentale des écoulements biphasiques a été réalisée sur deux tubes à section circulaire (D = 0.509 et 0.790 mm) et pour deux fluides différents : R-134a et R-245fa. Une méthode de mesure optique a été appliquée afin de caractériser les écoulements liquide-vapeur en microtubes, en déterminant la fréquence des bulles quittant un micro évaporateur, la vitesse de coalescence de ces bulles, leur longueur ainsi que leur vitesse moyenne. Quatre principaux régimes d'écoulement (écoulement à bulles, écoulement à bouchons, écoulement semi-annulaire et écoulement annulaire) avec leurs transitions (écoulement à bulles/bouchons et écoulement à bouchons/semi-annulaire) ont été observés. Une nouvelle forme de carte d'écoulement a été développée. La première zone correspond au régime d'écoulement à bulles isolées qui inclut l'écoulement à bulles et/ou l'écoulement à bouchons. Ce régime est présent jusqu'au début de la coalescence. La seconde zone est le régime de coalescence des bulles. Ce régime est présent jusqu'à la fin de la coalescence. La troisième zone est la zone annulaire, limitée par la quatrième zone qui est le début du flux de chaleur critique. Cette nouvelle carte d'écoulement peut être utilisée dans des modèles de transfert de chaleur et pour le dimensionnement de micro évaporateurs. La vitesse de la vapeur, ou indirectement le taux de vide, a été mesurée. Pour le R-134a, l'écoulement peut être considéré comme homogène (ou proche de l'homogène). Pour le R-245fa, des instabilités ont été observées et les résultats ont montré des vitesses de bulles de vapeur inférieures à celles d'un écoulement homogène. Les pertes de charge par frottements ont été mesurées pour un grand intervalle de conditions expérimentales, en considérant les deux dimensions de tubes et les deux fluides. La variation du coefficient de frottement biphasique en fonction du nombre de Reynolds biphasique permet de distinguer trois régimes: un régime laminaire pour ReTP < 2000, un régime de transition pour 2000 ≤ ReTP ≤ 8000 et un régime turbulent pour ReTP ≥ 8000. La corrélation de Müller-Steinhagen prédit correctement l'écoulement biphasique en régime turbulent. De nouvelles valeurs du flux de chaleur critique ont été mesurées avec le dispositif expérimental. Une nouvelle corrélation basée sur celle de Katto-Ohno a été développée pour prédire le flux de chaleur critique en microtubes circulaires uniformément chauffés. De plus, une nouvelle courbe de transition entre le régime annulaire et la zone d'assèchement est proposée. Les résultats obtenus peuvent être directement utilisés pour développer un modèle de transfert de chaleur et de pertes de charge en microcanaux ainsi que pour dimensionner les micro dissipateurs thermiques.