Présentation

 

 

     L’objectif de ce Bureau d’Etudes Industrielles est d'effectuer le dimensionnement d'un évaporateur pour une boucle diphasique de refroidissement d'un satellite de télécommunications. L'étude se décompose en 4 parties :

  • bibliographie : recherche des modèles à mettre en oeuvre
  • compréhension de la problématique industrielle
  • modélisation : développement du programme Matlab
  • analyse critique des résultats

Contexte industriel

     Au fur et à mesure des progrès réalisés dans le domaine de l'électronique, les densités de flux à évacuer par les composants sont de plus en plus important. Il est donc nécessaire de prendre en compte ces évolutions en adaptant les systèmes de refroidissement qui dissipent cette puissance. L'objectif de la régulation de température est de maintenir les composants électroniques dans un plage de température afin de garantir leur bon fonctionnement.

     La chaleur émise par les composants électroniques d'un satellite est évacuée par l'intermédiaire des panneaux latéraux qui rayonnent vers l'environnement extérieur. Les satellites envoyés jusque ici fonctionnent grâce à une boucle diphasique à pompage capillaire comme on le retrouve dans de nombreuses applications industrielles. Cette technologie permet d'éviter d'utiliser un compresseur mécanique susceptible de tomber en panne.

     En raison de la constante augmentation de la puissance à évacuer, il devient nécessaire de multiplier le nombre de boucles capillaires et donc la surface des panneaux extérieurs. Ceci a pour inconvénient majeur d'alourdir considérablement le poids du satellite et donc son coût de lancement dans l'espace. Les puissances à évacuer des nouveaux satellites nécessitent alors l'utilisation de nouvelles technologies. Une des solutions est d'utiliser une boucle diphasique à pompage mécanique. Dans cette boucle, on retrouve les composants classiques des boucles thermiques à savoir le compresseur, l'évaporateur, le détendeur et le condenseur comme nous pouvons le voir sur le schéma ci-dessous.

 

     Dans la boucle diphasique, les composants évacuent la chaleur en vaporisant le fluide réfrigérant dans l'évaporateur.  Ce changement de phase est très énergivore et assure ainsi une meilleure efficacité de la boucle thermique par rapport à un cycle monophasique. Ce système à un avantage considérable par rapport au système à pompage capillaire : la température de radiation au niveau du condenseur est d'environ 100°C contre 40°C avec le système précédent. Cela permet ainsi de réduire de 60% la surface des panneaux latéraux et donc le poids de l'installation. Afin de d'assurer de respecter les contraintes de températures et de flux au niveau des composants électroniques, il faut dimensionner l'évaporateur et calculer le comportement thermo-hydraulique du fluide. C'est dans ce cadre que s'inscrit notre BEI. 

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Objectifs  

     Notre étude porte sur le dimensionnement d'un évaporateur pour une boucle de contrôle thermique d'un satellite de télécommunications. L'objectif de ce Bureau d'Étude proposé par l'industriel est de développer un programme sous Matlab permettant de calculer l'écoulement thermo-hydraulique au sein de l'évaporateur. Ce programme permettant ainsi de connaitre la température des composants électroniques en tout point et vérifier ainsi que cette température ne dépasse pas une certaine valeur.

     La difficulté de cette étude est d'adapter les modèles thermo-hydraulique en fonction de l'écoulement en présence. Le liquide entre dans l'évaporateur à la température de saturation. L'énergie thermique dégagée par les composants électroniques va alors permettre de transformer une partie du liquide en vapeur. Les modèles hydrauliques devront ainsi être adaptés  à chacune des configurations d'écoulements. Le modèle hydraulique devra également prendre en compte l'arrachement des gouttelettes de liquide par le gaz au niveau de l'interface. Les pertes de charges induites par l'écoulement ayant une influence directe sur la température de saturation, il faut les évaluer et prendre en compte que les tubes sont composés de coudes occasionnant des pertes de charges supplémentaires. Ces pertes de charges singulières devront être prise en compte dans notre étude ce qui nécessite la recherche de modèle de perte de charge valide en absence de gravité terrestre.

     De manière à ne pas dépasser la température maximale admissible par les composants électroniques, il faut estimer les flux de chaleurs et donc connaître la variation locale du coefficient d'échange de chaleur. L'estimation de ces flux nécessite de rechercher les modèles de coefficient d'échange adaptés à notre écoulement. Le positionnement des composants n'étant pas encore déterminé, nous devrons placer les composants dans la situation la plus défavorable par rapport au cahier des charges.

 

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Cahier des charges

Le cahier des charges que nous avons est présenté ci-dessous :

Design

  • Fluide réfrigérant imposé 
  • Réseau hydraulique en série ou en parallèle
  • Longueur de tubing imposée 
  • Forme de tubes imposée mais dimensions libres
  • Dimensionnement des profilés de tubing fournis : Flux de chaleur et conductance

Températures et débits

  • Température maximale de fonctionnement des composants imposée
  • Marge de sécurité sur la température maximale des composants
  • Gradient maximal de température entre l'équipement électronique et le fluide imposé
  • Les pertes de pressions entre l'entrée et la sortie pour chaque échangeur ne gênèrent pas une chute de température de saturation supérieure à x
  • Plage de débit imposé 
  • Titres entrée imposé

 

Evolution du cahier des charges

  • Titres sortie imposé : xs

  • Suppression de la condition suivante : « Les pertes de pressions entre l'entrée et la sortie pour chaque échangeur ne gênèrent pas une chute de température de saturation supérieure à 1°C »

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Géométrie

Pour des raisons de confidentialité, nous ne préciserons pas les dimensions du système.

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