Eric Grignon / Vianney Abelard / Alexandre Mignot / Fermin Uriz / Adrien Gasquet

Contrôle thermique des satellites
Modèlisation d'une boucle fluide diphasique hybride (Pompage mécanique / pompage capillaire)


rapport PDF






Présentation du problème

Les transferts de chaleur avec changement de phase dans un milieu poreux sont présents dans de nombreux domaines: nucléaire, pétrole, géothermique ou spatiale.
Nous allons présenter ici une technique moderne et performante de refroidissement, utilisant un évaporateur innovant : une mèche poreuse.
C’est pour le refroidissement des satellites que nous allons étudier ce système comportant une boucle diphasique, appelée Loop Heat Pipe (LHP) ou boucle caloduc. Ce travail a été fait en collaboration avec un ingénieur du CNES (Centre National d’Etudes Spatiales), laboratoire qui fait des études ou des expériences pour des entreprises comme Alcatel Space ou EADS Astrium.
La boucle diphasique, illustrée ci-dessous, se compose d’un évaporateur, un condenseur, un réservoir de fluide caloporteur et éventuellement une pompe.


Schéma de la boucle diphasique

Le principe de fonctionnement, est de libérer la chaleur produite dans le satellite par vaporisation d’un liquide dans la « partie chaude » : l’évaporateur. A la sortie de l’évaporateur, le fluide en phase vapeur s’écoule vers la « partie froide » : le condenseur, où la chaleur est évacuée vers l’extérieur et le liquide re-condensé.

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Evaporateur

L'évaporateur est constitué d'une mèche poreuse, qui permet de mettre sous phase gazeuse le fluide caloporteur et de générer une pression capillaire palliant plus ou moins à l'ensemble des pertes de charge dans la boucle. Lorsque la pression capillaire est inférieur à l'ensemble des pertes de charge du système, un pompage mécanique est alors nécessaire.
L'évaporateur est un dispositif cylindrique de longueur 40 mm et rayon 10 mm. Le liquide entre par le centre du cylindre, ensuite passe à travers la mèche, s'évapore dans celle-ci et sort par les petites cannelures. Le rayon intérieur de la mèche est de 5mm et son épaisseur est de 5 mm.


Schéma de la mèche poreuse

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Condenseur

L'échange de chaleur entre le satellite et le milieu extérieur (l'espace) est réalisé via le condenseur. Cet échangeur, condense une substance de son état liquide a son état gazeux, plusieurs phases étant alors observables: écoulement monophasique gazeux, écoulement diphasique (modèle annulaire), écoulement diphasique (modèle flux de dérive), écoulement monophasique liquide.


Différents régimes d'écoulement dans le condenseur

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Analyse numérique

Nous avons réalisé sous Matlab, des simulations numériques permettant de calculer l'évolution des grandeurs caractéristiques du fluide le long de la boucle diphasique. Ci-dessous, nous pouvons voir l'évolution de la pression dans le condenseur:


Evolution de la pression dans le condenseur en fonction de la position

Ces résultats, nous ont permis de dimensionner le condenseur, et de voir l'intérêt d'un pompage mécanique. De plus amples résultats et une analyse judicieuse, sont détaillés dans le rapport ci-joint: rapport PDF.

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