Laboratoire Etude des Systèmes
et de l'Environnement Thermique de l'Homme (LESETH)
Université Paul Sabatier
118,route de Narbonne 31062 TOULOUSE Cedex - France
Tél. : 0561 556 829
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Introduction
Les boucles fluides diphasiques à pompage capillaire sont des dispositifs qui utilisent la circulation d'un fluide et les propriétés des changements d'état pour transférer d'importantes quantités de chaleur sur quelques dizaines de mètres. Leur application actuelle concerne le domaine spatial. Deux caractéristiques essentielles distinguent ces dispositifs, des boucles diphasiques classiques:
_L'absence d'élément mécanique pour la mise en circulation du fluide caloporteur. Celle-ci est assurée par l'augmentation de pression qui résulte de la vaporisation du liquide au niveau des ménisques qui se forment à la surface du corps poreux contenu dans l'évaporateur.
_La présence d'un réservoir de commande contenant les phases liquide et vapeur du fluide. Cet élément a un double rôle : fixer les conditions de fonctionnement (température et pression) du système et réguler son fonctionnement en régime instationnaire.
Pour assurer cette régulation, le réservoir doit s'adapter aux besoins de la boucle en recevant ou fournissant du liquide. Les entrées et sorties de liquide perturbent l'équilibre thermodynamique du système liquide-vapeur. Ces perturbations pouvant entraîner le désamorçage du dispositif, nous avons entrepris l'étude du comportement de ce système diphasique lors de l'amorçage pour différentes puissances, et lors de variations de puissance.
Moyens mis en œuvre
La recherche de résultats expérimentaux a permis de valider un modèle existant et de mieux interpréter les variations de température et pression qui se manifestaient dans le réservoir. Le banc d'essai expérimental utilisé, a été entièrement conçu et réalisé dans notre laboratoire.
Il est constitué de deux évaporateurs cylindriques, pouvant fonctionner simultanément et d'un condenseur tubulaire, plan, horizontal et refroidi par circulation d'eau. Le réservoir de commande, est immergé dans un bain dont la température est fixée par un thermostat. Il est muni d'un capteur de pression et de trois thermocouples qui mesurent respectivement les températures d'entrée du fluide, du liquide et de la vapeur.
Le modèle de simulation instationnaire du réservoir a été établi autour des équations de conservation de la matière, de l'impulsion et de l'énergie. Ce modèle comprend une maille qui a été justifiée par l'existence d'un important brassage provoqué par l'effet de jet (une conduite très étroite le reliant à la boucle) et par la géométrie de l'enceinte. Pour être complet, je dois faire mention, de l'ampleur d'une simulation qui porte non seulement sur le réservoir mais aussi sur l'évaporateur le condenseur et l'ensemble des conduites (aspects dynamique et thermique). C'est un logiciel du CNRS (ZOOM) qui permet le raccordement de ses élèments pour effectuer le calcul numérique.
Principaux résultats
Une série de démarrages a été réalisée pour des puissances thermique appliquée à l'évaporateur comprises entre de 50 et 400 W, une température de saturation proche de: 27°C, une boucle horizontale et un débit au secondaire du condenseur de 51,2 l/h.
Dans le réservoir, les variations de températures observées au cours de nos expériences et les variations de pression correspondantes témoignent du maintien des conditions d'équilibre, conformément à l'équation de la courbe de vaporisation (obtenue par intégration de l'équation de Clapeyron). Le modèle construit sur cette hypothèse mise en œuvre à travers les équations de conservation de la mécanique des fluides, reproduit correctement l'allure des courbes expérimentales. Cependant, il reste erroné lors de la mise en service du dispositif car il ne prend pas en compte la formation de la vapeur et des ménisques dans le corps poreux de l'évaporateur.
Ce sont pour les baisses de puissance, que les chutes de température de vaporisation dans le réservoir sont les plus importantes. Cette température de changement d'état est imposée aussitôt à toute la boucle par l'intermédiaire des pressions. Lorsque cette température de vaporisation devient inférieure à celle du liquide caloporteur contenu dans les conduites, la totalité du système est envahi par la vapeur et se désamorce: le pompage par capillarité n'est plus assuré dans le corps poreux. Pour éviter, ce dysfonctionnement et s'éloigner des zones de température où ces instabilités pourraient apparaître on peut envisager différentes solutions techniques.
La plus simple, pour limiter ces risques, serait de rapprocher le réservoir du condenseur. Ainsi, le liquide chaud qui en sortirait se mêlant à celui beaucoup plus froid provenant du condenseur permettrait de maintenir la température du liquide éloignée de celle de vaporisation.
Conclusion
Pour éviter les risques de désamorçages consécutifs a une baisse de puissance appliquée à l'évaporateur nous avons remarqué, dans notre cas, l'intérêt de rapprocher le réservoir du condenseur. Cependant, il est nécessaire de trouver une astuce pour empêcher la baisse de la température de saturation provoquée par l'arrivée massive de liquide sous-refroidi lors d'une hausse de puissance. Pour cela nous envisageons quatre solutions: mettre un conduite thermostatée entre la boucle et le réservoir, maintenir le liquide qui provient de la boucle au fond du réservoir (par un corps poreux ou une poche extensible) ou bien permettre un fonctionnement automatisé du réservoir: Celui-ci relié en deux points à la boucle laisserait le liquide arriver de l'évaporateur aux hausses de puissances et refluer vers le condenseur lors des baisses.
