Introduction

 

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 télécommunication. L'étude se décompose en 4 parties:

  • Bibliographie : Reprise d'une étude précédente et choix des modèles pour la modélisation des écoulements diphasiques en microgravité.
  • Compréhension :  Problématique posée par l'industriel à analyser 
  • Modélisation : Modélisation d'un programme de résolution sous MATLAB
  • Analyse : Examiner les résultats obtenus de manière critique et en tirer des conclusions

 

Contexte général

Les appareils complexes comportent de plus en plus de composants électroniques. Cependant, au fur et à mesure de la montée en puissance de ceux-ci, la production de chaleur devient importante. Il est donc nécessaire de l’évacuer pour garantir le bon fonctionnement de l’appareil. Cette évacuation peut devenir un système vital à ce-dernier dans certains cas. C’est le cas dans les satellites, qui reposent sur le bon fonctionnement de leur appareillage. Cependant, l’évacuation de la chaleur est ici particulièrement délicate car les mécanismes mis en jeu sont limités.

         

 

En effet, à bord d’un satellite, la chaleur est principalement évacuée par rayonnement au niveau des panneaux extérieurs. Ce projet a pour objectif l’étude d’une boucle de refroidissement, du condenseur à l’évaporateur. Dans notre cas, le fluide réfrigérant circulera dans un évaporateur test, les composants électroniques étant remplacés par des imitateurs produisant seulement de la chaleur. Cette chaleur est par la suite évacuée par la vaporisation du fluide lors du passage du fluide au niveau du composant. Un écoulement diphasique a donc lieu dans l’évaporateur. Cette méthode est plus efficace qu’un refroidissement classique, en écoulement monophasique, car le flux de chaleur transporté est plus important. 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 un système classique de pompe à chaleur. Cela permet ainsi de réduire de 60% la surface des panneaux latéraux et donc le poids de l'installation. Cependant, dû à l’écoulement diphasique, la simulation de celui-ci est plus délicate.

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Objectif

Le BEI porte sur le dimensionnement d’un évaporateur pour une boucle de contrôle thermique d’un satellite de télécommunication. L’objectif est de développer un programme MATLAB pour l’industriel Thales Aliena Space afin de calculer différents paramètres de l’évaporateur, comme les pertes de pression au sein de l’évaporateur, ou la température des composants afin de valider le cahier des charges fourni : ne pas avoir une perte de pression trop importante ou ne pas dépasser une valeur critique pour la température des composants.

Notre étude est la suite d'un Bureau d'études industrielles qui a été réalisé l'année dernière en 2011/2012 par un autre groupe. Le principal changement au niveau de notre projet consiste en la prise en compte de la gravité dans les parties ascendantes et descendantes de notre système de tubings. Pour s'inscrire dans la continuité de leur travail, nous allons reprendre les modèles qui ont déjà été testés et les modifierons de manière à satisfaire ces conditions d'écoulement gravitaire. De plus, nous allons reproduire une géométrie exacte (car connue) concernant la position des tubes les uns par rapport, la localisation des imitateurs et les coudes. 

De manière à satisfaire la requête de Thales Aliena Space, nous allons devoir prendre les bons modèles de simulation en fonction du régime d'ébullition convective (en diphasique) dans lequel nous nous trouvons. De plus, il nous faut aussi prendre en compte les pertes de charge qui peuvent se produire au niveau de notre écoulement, et surtout les pertes de charge singulières ici. En effet, la présence des coudes va engendrer des pertes de charge au niveau de notre écoulement. Le problème étant que ces pertes sont difficilement modélisables vu que notre écoulement est diphasique. Pour cela, il faut que nous nous basions sur des études expérimentales qui ont déjà été réalisées. De manière à caractériser nos échanges thermiques convectifs dans le tube, il faudra utiliser des corrélations diphasiques pour calculer un coefficient d'échange h qui sera donc variable au sein de notre écoulement.

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Cahier des charges

Le cahier des charges imposé est présenté ci-dessous :

Structure

  • Fluide réfrigérant imposé
  • Réseau hydraulique en parallèle (3 tubes en parallèle)
  • Dimension des ailettes
  • Longueur totale du système
  • Forme des tubes imposée (cylindrique)
  • Positionnement des imitateurs et flux de chaleurs dissipés
  • Résistance de contact ailette/imitateur (2*10^-4 K.m^2/W)
  • Résistance de contact ailette/tube (à déterminer expérimentalement)

 

Températures et débits

  • Température maximale de fonctionnement des composants à vérifier
  • Plage de débit imposé (10 g/s par tube)
  • Titre en entrée imposé (entre 0 et 0.3)

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Géométrie

Pour des raisons de confidentialité vis-à-vis de Thales Aliena Space, nous ne pouvons communiquer la géométrie exacte de notre système. 

 

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