Introduction

 

Introduction

L’objectif de ce Bureau d’Études Industrielles est d'étudier les phénomènes thermo-hydrauliques au sein d'un évaporateur pour une boucle diphasique de refroidissement d'un satellite de télécommunication.

L'étude se décompose en 4 parties:

  • Compréhension :  Analyse de la problématique posée par l'industriel ;

  • Bibliographie : Reprise d'une étude précédente et choix des modèles pour la modélisation des écoulements diphasiques ;

  • Modélisation : Développement d'un programme de résolution sous MATLAB ;

  • Analyse : Analyse critique des résultats obtenus et confrontations avec les données expérimentales.

 

Thales Alenia Space

Thales Alenia Space est le numéro 1 européen des solutions par satellites et est un acteur majeur dans le domaine de l’infrastructure orbitale. Thales Alenia Space est aujourd’hui une référence mondiale dans le domaine des télécommunications, de la navigation, de la météorologie, de la gestion de l’environnement, de la défense et de la sécurité, de l’observation et de la science.

La branche de Thales Alenia Space présente un réseau de 11 sites industriels dans 4 pays européens et près de 7200 salariés dans le monde. Leader européen et numéro 3 mondial, Thales Alenia Space est à la pointe des technologies par satellites que ce soit dans le secteur civil ou militaire.

Aujourd’hui, Thales Alenia Space est le premier fournisseur de solutions par satellites en Europe dans le domaine de la défense et de la sécurité, avec de fortes positions dans les satellites et les systèmes sols. http://www.thalesgroup.com/space/

 

Contexte général

Les satellites sont constitués de systèmes électroniques qui dégagent de grandes quantités de flux de chaleur. Cette chaleur dégagée doit impérativement être évacuée, sous peine d'endommager les composants du satellite. La solution innovante proposée par Thales consiste à utiliser une boucle frigorifique pour refroidir les composants d'une étagère de satellite. La boucle est constituée d'un évaporateur, d'un surchauffeur de vapeur, d'un compresseur, d'un condenseur, et d'un détendeur. L'évaporateur est l'élément clés, c'est dans ce dernier que la chaleur dégagée par les composants électroniques est évacuée ; elle est transférée au fluide caloporteur. Le fluide caloporteur va donc s'échauffer et s'évaporer peu à peu. En résulte l'apparition d'un écoulement diphasique.

L'objectif de cette étude est de reprendre le projet réalisé l'année précédente et le compléter. Cette année, nous disposons de données expérimentales de l'IMFT. L'étude consiste à rechercher le modèle de simulation adéquat. La méthode consiste à tester tous les modèles empiriques susceptibles de répondre à nos besoins. Nous allons donc pouvoir comparer les données expérimentales aux simulations pour mettre en évidence lequel est le plus adapté. Après quoi, le modèle choisi sera implémenté dans un second programme Matlab afin de calculer les différents paramètres, comme les pertes de pression au sein de l'évaporateur, et la température des composants.

 

Schéma de la boucle de refroidissement.

Description du sujet

Les composants électroniques qui constituent un satellite sont sensibles aux fortes chaleurs ; leur température ne doit pas dépasser une température maximale. Il est donc nécessaire d'évacuer la chaleur qu'ils produisent et de les refroidir. Leur refroidissement n'est pourtant pas aisé : ceux situés aux extrémités du satellite évacuent leur chaleur avec l'air ambiant. Le satellite disposant de deux faces non exposées au soleil, les composants qui s'y situent évacuent leur chaleur par rayonnement. Le refroidissement du reste des composants électroniques est alors plus complexe.

La solution proposée par Thales Alenia Space consiste à faire circuler un fluide réfrigérant sous les composants électroniques à travers un évaporateur. La chaleur récupérée déclenche alors la vaporisation du fluide caloporteur sous le composant. L'efficacité du refroidissement provient du changement de phase. Cette méthode est plus efficace qu'un refroidissement classique en écoulement monophasique, car le flux de chaleur transféré est plus important.

Pour s'inscrire dans la continuité du travail de l'an passé, les modèles qui ont déjà été testés sont repris et complétés par de nouveaux de manière à avoir une liste exhaustive des modèles susceptibles de convenir au problème. De plus, nous reproduisons une géométrie exacte concernant la position des tubes, la localisation des imitateurs de composants électroniques et des coudes.

Pour satisfaire la requête de Thales Alenia Space, il faut premièrement déterminer le régime d'écoulement diphasique présent dans le circuit. Il en existe un éventail, mais dans notre cas, seul l'écoulement annulaire nous intéresse. De plus, il est nécessaire de connaître les pertes de charge au sein de l'écoulement, notamment les pertes de charge singulières dues aux nombreux coudes. Toute la difficulté est de modéliser ces pertes de charges car l'écoulement est diphasique. Pour cela, il faut se baser sur des études expérimentales déjà réalisées. Les frottements interfaciaux sont modélisés grâce au modèle de Wallis tandis que les frottements pariétaux avec les modèles de Lockhart & Martinelli, de Baroczy et d'Awad. En ce qui concerne les échanges thermiques convectifs dans le tube, il faut, là aussi, utiliser des corrélations empiriques diphasiques pour calculer le coefficient d'échange h qui varie au sein de l'écoulement. Les transferts de chaleur sous le régime d'ébullition saturée sont modélisés d'après les corrélations de Kandlikar, de Gunger & Winterton, de Schrock & Grossman et de Chen. Enfin, un modèle récemment développé par A. Cioncolini est aussi testé.

Dans un premier temps, tous les modèles cités plus haut sont comparés aux expériences de l'IMFT. Ces comparaisons sont effectuées en gravité et en micro-gravité, cela permet de sélectionner les plus performants en fonction du régime gravitationnel.

Dans un second temps, les modèles retenus sont intégrés dans un programme Matlab qui permet de calculer les pertes de pression au sein de l’évaporateur, la température des composants et de la paroi. Les résultats permettront de vérifier que le cahier des charges est respecté dans les conditions d'utilisation spatiales.

 

Prototype de l'évaporateur de la boucle de refroidissement.

Objectifs

L’objectif est de développer un programme MATLAB pour l’industriel Thales Alenia Space afin de calculer différents paramètres, comme les pertes de pression au sein de l’évaporateur, ou la température des composants avec les modèles les plus performants.

Après analyse des résultats, le programme pourra être corrigé, amélioré puis validé. Et les modèles pré-sélectionnés pour la simulations devront être triés en fonction de leurs performances.

Cahier des charges

Structure

  • Fluide réfrigérant R245FA;
  • Réseau hydraulique en parallèle (3 tubes en parallèle);
  • Dimension des ailettes imposée;
  • Longueur totale du système imposée;
  • Forme des tubes cylindrique;
  • Positionnment des imitateurs et flux de chaleurs dissipés imposés;
  • Résistance de contact ailette/imitateur 2.10-4 K.m²/W;
  • Résistance de contact ailette/tube calculée en fonction du coefficient d'échange thermique.

Températures et débits

  • Température maximale de fonctionnement des composants 65 à 80°C;
  • Plage de débit imposée aux environs de 10 g/s par tube;
  • Titre en entrée imposé entre 0 et 0,3.

Géométrie

La géométrie est imposée, elle est fournie par l'industriel. Le circuit de refroidissement se compose de trois tubes parallèles fixés au support des composants.