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

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.

Name thesis:degree_name

Ph. D.

Level thesis:degree_level

Doctorat

Discipline thesis:degree_discipline

Génie mécanique

Grantor dc:publisher

Université de Sherbrooke

Year dc:date.issued

2023

Author dc:creator

• Karami, Nooshin

Advisor dc:contributor.advisor

• Fréchette, Luc

• Micromoteur thermique
• Récupérateur thermique
• Évaporation-condensation
• Capillaire
• Cycle thermodynamique
• Microfabrication
• Auto-oscillation
• Micro heat engine
• Self-oscillation
• Thermal harvester
• Evaporation-condensation
• Capillary
• Thermodynamic cycle

Language dc:language.iso

en

Handle dc:identifier.uri

http://hdl.handle.net/11143/21197

OAI identifier oai:identifier

oai:usherbrooke.scholaris.ca:11143/21197