Enhancing the performance of a self-oscillating fluidic heat engine (SOFHE) through thermodynamic cycle and phase change characterization - LN2 - Axe Energie sur puce Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Enhancing the performance of a self-oscillating fluidic heat engine (SOFHE) through thermodynamic cycle and phase change characterization

Amélioration des performances d'un moteur thermique à fluide auto-oscillant par la caractérisation du cycle thermodynamique et du changement de phase

Résumé

The aim of this thesis is to better understand the working principles of a recently discovered self-oscillating fluidic heat engine (SOFHE) by characterizing the thermodynamic cycle (P-V diagram) and phase change (evaporation-condensation). The SOFHE is proposed for thermal energy harvesting, coupled with an electromechanical transducer, for powering wireless sensors used in the Internet of Things (IoT). The SOFHE is a vapor bubble trapped by a liquid plug (acting as a piston) in a small diameter tube. This vapor bubble-liquid plug is set in oscillations by a cyclic evaporation-condensation of a thin liquid film formed by a wicking fiber. The first experimental demonstration of the SOFHE showed a low electrical power of 1 μW. However, it is still unclear how the unknown thermodynamic cycle of the SOFHE behaves under a load and how much mechanical power density the SOFHE can generate. To address this question, the thermodynamic cycle and power density of the SOFHE are experimentally characterized for the first time under a varying mechanical load. The main contribution of this characterization is to provide a baseline for impedance matching that is crucial for designing a compatible load for the SOFHE. It is also shown that the mechanical power density of the SOFHE is in the range of milliwatts/cm3 (maximum 0.5 mW/cm3) which makes it a promising solution to power a range of wireless sensors with a power requirement of tens of microwatt. We also studied the effect of the operating heat source temperature and two design parameters, including the length of the wicking fiber and the length of the liquid plug on the power of SOFHE. The significant increase of the power by increasing the fiber length was the driving force behind the second phase of our study in which we characterized the complex and unknown phase change profile (evaporation-condensation) of the SOFHE. A new setup was designed to visualize the variation of the thin film around the fiber as we played with its length inside the vapor zone. The observations proved our hypothesis of forming capillary corners between the fiber and the inner wall of the tube that pumps liquid from the liquid plug toward the vapor zone. This leads to the formation of a thin film with a very small thermal resistance that feeds evaporation. The rate of change of mass of vapor, the so-called phase change rate, is also measured. It is shown that to maximize the amplitude of the oscillation and consequently the power of the SOFHE, the amplitude of the phase change rate should increase and be completely out of phase with the position. A dimensionless number is also proposed to evaluate the effectiveness of the phase change rate profile. Finally, to better control the phase change, a new design of the SOFHE is proposed in which we can integrate tailored wicking structures to mimic the effect of the inserted fiber. The device is a square cross-section microchannel with sharp corners as well as an etched capillary path on the bottom wall that is fabricated by a standard microfabrication process. It is shown that the amplitude and consequently the power of SOFHE increase (a fivefold increase from 30 to 150 μw/ cm3) as we add a capillary path. This opens a new path towards engineering the phase change of the SOFHE by designing different wicking structures to improve its performance.
L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les principes de fonctionnement d'un moteur thermique fluidique auto-oscillant (SOFHE) récemment découvert, en caractérisant le cycle thermodynamique (diagramme P-V) et le changement de phase (évaporation-condensation). Le SOFHE est proposé pour la récolte d'énergie thermique, couplé à un transducteur électromécanique, pour alimenter des capteurs sans fil utilisés dans l'Internet des objets (IoT). Le SOFHE est une bulle de vapeur piégée par un bouchon liquide (agissant comme un piston) dans un tube de petit diamètre. Cette bulle de vapeur-bouchon liquide est mise en oscillation par une évaporation-condensation cyclique d'une film liquide mince formée par une fibre de mèche. La première démonstration expérimentale du SOFHE a montré une faible puissance électrique de 1 µW. Cependant, on ne savait toujours pas comment le cycle thermodynamique inconnu de la SOFHE se comporte sous une charge et quelle densité de puissance mécanique la SOFHE peut générer. Pour répondre à cette question, le cycle thermodynamique et la densité de puissance de la SOFHE sont caractérisés expérimentalement pour la première fois sous une charge mécanique variable. La principale contribution de cette caractérisation est de fournir une base de référence pour l'adaptation de l'impédance qui est cruciale pour la conception d'une charge compatible pour la SOFHE. Il est également démontré que la densité de puissance mécanique de la SOFHE est de l'ordre de 0.5 milliwatts/cm3, ce qui en fait une solution prometteuse pour l'alimentation d'une gamme de capteurs sans fil dont la puissance requise est de l'ordre de 10s microwatt. Nous avons également étudié l'effet de la température de fonctionnement de la source de chaleur et de deux paramètres de conception, notamment la longueur de la fibre de mèche et la longueur du bouchon liquide, sur la puissance de la SOFHE. L'augmentation significative de la puissance en augmentant la longueur de la fibre a été la force motrice de la deuxième phase de notre étude dans laquelle nous avons caractérisé le profil de changement de phase complexe et inconnu (évaporation-condensation) de la SOFHE. Un nouveau dispositif a été conçu pour visualiser la variation du film mince autour de la fibre lorsque nous avons joué sur sa longueur à l'intérieur de la zone de vapeur. Les observations ont prouvé notre hypothèse de la formation de coins capillaires entre la fibre et la paroi interne du tube qui pompent le liquide du liquide vers la zone de vapeur. Cela conduit à la formation d'un film mince avec une très faible résistance thermique qui alimente l'évaporation. Le taux de variation de la masse de vapeur, appelé taux de changement de phase, est également mesuré. Il est démontré que pour maximiser l'amplitude de l'oscillation et, par conséquent, la puissance du SOFHE, l'amplitude du taux de changement de phase doit augmenter et être complètement déphasée par rapport à la position. Un nombre sans dimension est également proposé pour évaluer l'efficacité du profil du taux de changement de phase. Enfin, pour mieux contrôler le changement de phase, une nouvelle conception de la SOFHE est proposée et démontrée dans laquelle nous pouvons intégrer des structures de mèche sur mesure pour imiter l'effet de la fibre insérée. Le dispositif est un microcanal à section carrée avec des angles aigus et un chemin capillaire gravé sur la paroi inférieure qui est fabriqué par un procédé standard de microfabrication. Il est démontré que l'amplitude et, par conséquent, la puissance de la SOFHE augmente (multiplication par cinq de 30 à 150 µw/ cm3) avec l'ajout d'un chemin capillaire. Cela ouvre une nouvelle voie vers l'ingénierie du changement de phase de la SOFHE en concevant différentes structures de mèche pour améliorer les performances de la SOFHE.
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Dates et versions

tel-04545377 , version 1 (13-04-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04545377 , version 1

Citer

Nooshin Karami. Enhancing the performance of a self-oscillating fluidic heat engine (SOFHE) through thermodynamic cycle and phase change characterization. Engineering Sciences [physics]. Université de Sherbrooke, 2023. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04545377⟩
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