Dimensionnement d'un évaporateur pour une boucle de contrôle thermique d'un satellite de télécommunication

Premier cahier des charges:

Le cahier des charges initial n'était pas extrêmement précis. Nous avons donc construit un code Matlab flexible, de sorte que l'on puisse s'adapter lorsque des informations plus précises nous seraient communiquées. Voici les consignes qui nous ont été données:

Le fluide frigorigène à utiliser est le R123, ou le R245FA.

On rentre en monophasique dans l'évaporateur à une température très proche de la température de saturation.

L'ordre de grandeur du débit massique est environ 30g/s.

Le titre massique en sortie d'évaporateur doit être compris entre 0.9 et 0.95 car il entre ensuite dans un surchauffeur qui termine de le vaporiser complètement. Il ne doit également jamais dépasser 0.95 dans l'évaporateur afin d'éviter une crise d'ébullition qui ferait chuter le coefficient d'échange thermique

La vitesse débitante de gaz doit rester inférieure à 20m/s afin d'éviter l'écoulement annulaire avec arrachage (non modélisé dans notre simulation).

La température du fluide frigorigène en entrée est d'environ 50°C, et la température des composants à ne pas dépasser est d'environ 70°C.

Le tube est probablement en aluminium, d'environ 1mm d'épaisseur, la géométrie de l'ailette qui y est rattachée est inconnue. Néanmoins on imagine en première idée une ailette de la forme ci-dessous. Les résistances thermiques de contact et de conduction sont également inconnues.

La longueur de tube est inconnue, ainsi que la configuration spatiale des composants.

La perte de charge engendrée par la circulation du fluide dans les tubes est limitée, de telle sorte que la température de saturation associée à la pression de sortie aie diminué de moins de 3°C par rapport à la température de saturation en entrée. Il faut donc respecter Tsat(entrée)-Tsat(sortie) <3°C.

La puissance à dissiper est d'environ 1W/cm². La puissance totale est d'environ 10 kW.

Cahier des charges définitif:

Il y a trois étagères à refroidir et au total 10kW à dissiper. Il y a environ 24 composants par étagère. La géométrie des composants est la suivante :

Le fluide frigorigène à utiliser est le R245FA, son débit massique est fixé à 90 g/s (soit 30g/s par étagère, soit 10g/s par tube), et le titre massique d'entrée doit être compris entre 0.3 et 0.35. L'écoulement est donc annulaire, dès l'entrée de l'évaporateur.

Le titre massique en sortie d'évaporateur doit être compris entre 0.9 et 0.95 car il entre ensuite dans un surchauffeur qui termine de le vaporiser complètement. Il ne doit également jamais dépasser 0.95 dans l'évaporateur afin d'éviter une crise d'ébullition.

La vitesse débitante de gaz doit rester inférieure à 20m/s afin d'éviter l'écoulement annulaire avec arrachage (non modélisé dans notre simulation).

La température du fluide frigorigène en entrée est de 45 °C, et la température des composants à ne pas dépasser est de 60°C (ou 65°C).

Le tube est en aluminium, d'épaisseur 0.75mm, et l'ailette qui y est rattachée mesure 30mm (que l'on peut faire varier) par 1.5mm d'épaisseur.

Dans cette configuration, la résistance thermique de conduction est de 5500 W/m²K, et la résistance de contact et de 5000 W/m²K.

La masse totale de tube (ailette comprise) ne doit pas dépasser 100 kg pour les trois étagères, soit environ 33 kg par étagère.

Il faut créer une configuration utilisant environ 30m de tube.

La perte de charge engendrée par la circulation du fluide dans les tubes est limitée, de telle sorte que la température de saturation associée à la pression de sortie aie diminué de moins de 3°C par rapport à la température de saturation en entrée. Il faut donc respecter Tsat(entrée)-Tsat(sortie)<3°C.

La corrélation de pression à utiliser est Lockhart&Martinelli.

Enfin, les composants seront probablement disposés par blocs, comme ceci :

Nous avons par contre la liberté de choisir la configuration spatiale qui nous paraît être la meilleure.

Bertrand AUDOUSSET - Julien DAGRAS - Grégory NALDI