- Thermodynamic Analysis and Performance of Mechanically Pumped Two-Phase Loops- Thermodynamics Laboratory (Université de Liège)

Abstract

In the current energy landscape, the cooling requirements of high-heat-flux-density applications such as power electronics, batteries and data centres are constantly increasing.

Mechanically pumped two-phase loops (MPLs) are emerging as a potential key solution to meet these demands. They combine the high heat transfer coefficients of boiling flow with the controllability of a pumped circuit.

Their key design challenge lies in the vapour quality at the evaporator outlet. While higher vapour qualities improve latent heat utilisation, reduce pumping demands, and enhance heat transfer via boiling, they may also lead to dry-out, thereby limiting thermal performance. This final-year project characterises this vapour-quality trade-off and identifies the domain in which the model predictions are quantitatively defensible.

The first part of this thesis reviews two-phase thermal management systems and presents the architecture and steady-state thermodynamic model of a complete loop using R134a as the refrigerant. The loop consists of an evaporator, condenser, preheater, mechanical pump and two-phase reservoir. The model is built on a simulation framework subjected to systematic validation and solved using a coupled residual-based solver.

The second part confronts the model with the published experimental and numerical evidence of a reference system on four fronts: the nodal pressure and temperature profiles, the pressure response to the applied heat input, the evaporator boiling heat transfer coefficient, and the condenser behaviour. Every predicted quantity is assigned one of three confidence categories. Thermal states, vapour qualities and duties are found to be quantitatively supported, while pressure levels are captured as trends only, a limitation traced to the uncharacterised compliance of the two-phase reservoir.

The last part exploits the model within its validated boundaries through six parametric studies mapping the operating domain. The outlet quality is set by the loop energy balance and proves robust to coolant and charge disturbances. The evaporator geometry trades a model-predicted sixfold heat transfer gain against a fourteen-fold penalty on the comparison-only pump head.

A steady-model operating map consolidates where the model converges and its predictions hold. The central finding is bounded: the apparent peak of the implemented boiling correlation, near a quality of 0.9, lies outside the quantitatively supported domain, and the highest defensible quality is approximately 0.6, the gap between the two quantifying what remains uncharacterised in high-quality operation. This work leaves the door open to the experimental characterisations that would extend the validated domain toward higher qualities.

Dans le paysage énergétique actuel, les besoins en refroidissement des applications à haute densité de flux thermique (électronique de puissance, batteries, centres de données) ne cessent de croître.

Les boucles diphasiques à pompage mécanique (MPL) émergent sur le marché comme une solution potentiellement clé pour répondre à ces enjeux. Elles combinent les coefficients de transfert de chaleur élevés de l’écoulement en ébullition avec la contrôlabilité d’un circuit pompé.

Leur principal défi de conception réside dans le titre de vapeur à la sortie de l’évaporateur. Des titres plus élevés améliorent l’exploitation de la chaleur latente, réduisent la demande de pompage et renforcent le transfert par ébullition, mais peuvent aussi conduire à l’assèchement, limitant les performances thermiques. Ce travail de fin d’études caractérise ce compromis et identifie le domaine dans lequel les prédictions du modèle sont quantitativement défendables.

La première partie présente les systèmes de gestion thermique diphasiques ainsi que l’architecture et le modèle thermodynamique stationnaire d’une boucle complète utilisant le R134a comme réfrigérant. La boucle se compose d’un évaporateur, d’un condenseur, d’un préchauffeur, d’une pompe mécanique et d’un réservoir diphasique. Le modèle s’appuie sur un cadre de simulation soumis à une validation systématique, résolu par un solveur couplé basé sur les résidus.

La deuxième partie confronte le modèle aux données expérimentales et numériques publiées d’un système de référence sur quatre fronts : les profils nodaux de pression et de température, la réponse en pression à la charge thermique appliquée, le coefficient de transfert de chaleur en ébullition de l’évaporateur et le comportement du condenseur. Chaque grandeur prédite se voit attribuer l’une des trois catégories de confiance. Les états thermiques, les titres de vapeur et les puissances échangées sont quantitativement étayés, tandis que les niveaux de pression ne sont capturés qu’en tendance, limitation due à la compliance non caractérisée du réservoir.

La dernière partie exploite le modèle dans ses limites validées à travers six études paramétriques cartographiant le domaine de fonctionnement. Le titre de sortie est fixé par le bilan d’énergie de la boucle et se montre robuste aux perturbations du fluide de refroidissement et de la charge. La géométrie de l’évaporateur oppose un gain de transfert de chaleur prédit d’un facteur six à une pénalité d’un facteur quatorze sur la hauteur de pompe (comparaison uniquement).

Une carte de fonctionnement du modèle stationnaire consolide les zones où le modèle converge et où ses prédictions sont défendables. La conclusion centrale est bornée : le pic apparent de la corrélation d’ébullition implémentée, proche d’un titre de 0,9, se situe hors du domaine quantitativement étayé, et le titre le plus élevé défendable est d’environ 0,6, l’écart entre les deux quantifiant ce qui reste non caractérisé à haut titre. Ce travail laisse la porte ouverte aux caractérisations expérimentales qui étendraient le domaine validé vers des titres plus élevés.