BOUCLES FUIDES CRYOGENIQUES A POMPAGE CAPILLAIRE

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1 BOUCLES FUIDES CRYOGENIQUES A POMPAGE CAPILLAIRE Ph GULLY Groupe Cryoréfrigérateurs et Cryogénie Spatiale (GCCS) Service des Basses Températures (SBT) Institut Nanosciences et Cryogénie (INAC) Direction des Sciences de la Matière (DSM) CEA - Grenoble Collaboration avec le TIPC (CAS) SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 1

2 PLAN Contexte Fluides cryogéniques (impact sur la géométrie) Spécificités des boucles fluides cryogéniques Prototype du CEA SBT Besoins de R&D pour les boucles fluides cryogéniques Conclusion SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 2

3 CONTEXTE Domaine spatial Distribution de la puissance frigorifique dans les satellites Refroidissement des détecteurs Réfrigérateur Détecteur T x mètres Ecoulement de chaleur SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 3

4 LES FLUIDES CRYOGENIQUES : Gammes de pressions et températures 2 zones non couvertes 5K-13K 45K-55K Point critique Ne Ar CH4 He 4 Psat (bar) H2 N2 CO NH3 4K à 200K 1mbar à 50bar Point triple Température (K) O2 SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 4

5 LES FLUIDES CRYOGENIQUES : Tension superficielle 1.00E+00 NH3 Faible tension superficielle Faible pression capillaire (à géométrie donnée) Doit-on utiliser des mèches capillaires à pores plus petits? Tension superficielle (N/m) 1.00E E E E-04 He 4 H2 Ne O2 N2 CO CH4 Ar 1.00E Température (K) SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 5

6 LES FLUIDES CRYOGENIQUES : Effets gravitaires P gravitaire = P cap ρ.g.d.r l 2σ ménisque Dans l évaporateur 1.E+01 P Domaine de température réduit (-20% du point critique), D=20mm, r=10µm gravitaire = P cap 1.E+00 ρ.g.d.r l ménisque 2σ He 4 Ar 1.E-01 Ne N2 O2 CH4 H2 1.E-02 Fonctionnement en contre-gravité CO NH3 1.E Température (K) Besoin de faible taille de pore pour He et Ne (1µm voire moins) Pour les autres fluides, ce n est pas nécessaire, sauf si on veut un fonctionnement en contre gravité SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 6

7 BESOIN PUISSANCE FRIGORIFIQUE DANS LE DOMAINE SPATIAL Besoin Puissance Spacial (W) q Moyenne (2K-200K) CNES_@bus CNES_INMARSTAT IV CNES_Simbol PT_cryocooler_mono_éta gé_cea JT_cryocooler_Twente JT_cryocooler_CLRC PT_cryocooler_Lookeed Température (K) La puissance diminue vers les basses températures! Importance du rayonnement 300K : ~5mW/cm2 SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 7

8 LES FLUIDES CRYOGENIQUES : Frottement visqueux mèche capillaire Comparaison des performances des fluides à géométrie donnée 1.E-07 Domaine de température réduit (-20% du point critique) P frottement mèche P cap r ménisque KA Géométrie e q µ l σ. ρ.h l lv Frottement mèche / Pression capillaire 1.E-08 1.E-09 1.E-10 q µ l l σ. ρ.h lv He 4 H2 Ne N2 O2 Ar CO CH4 NH3 1.E Température (K) Certains fluides (H2, CO) sont meilleurs SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 8

9 LES FLUIDES CRYOGENIQUES : Frottement ligne vapeur P frott vapeur P Cap = L.r ménisque 2 4.D.A λ frott σ. ρ.h v.q 2 2 lv Comparaison des performances des fluides à géométrie donnée Domaine de température réduit (-20% du point critique), D=3mm Géométrie Certains fluides (He, H2, Ne, CO) sont meilleurs Attention à N2, O2, Ar, CH4 Frottement vapeur / Pression capillaire 1.E-07 1.E-08 1.E-09 1.E-10 1.E-11 λ σ.q 2 frott 2. ρv.hlv He 4 H2 Ne Température (K) N2 O2 Ar CO CH4 NH3 SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 9

10 LES FLUIDES CRYOGENIQUES : longueur de condensation L Cond = T sub χ.h ~ T Cond q. T sub Domaine de température réduit (-20% du point critique) D=3mm, DTsub=1%T Condensation de Shah 1.E+01 A priori, des condenseurs de mêmes tailles! Longueur de condensation (m) 1.E+00 He 4 H2 Ne N2 CO O2 Ar CH4 NH3 1.E Température (K) SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 10

11 LES FLUIDES CRYOGENIQUES : Frottement condenseur P frott condenseur P Cap max = r ménisque 2 4.D.A L Cond. λ frott diphasique σ. ρ.h l 2 lv.q 2 Domaine de température réduit (-20% du point critique) D=3mm, DTsub=1%T Frottement (annulaire) Géométrie 1.E-06 Certains fluides (He, H2, Ne, CO) sont meilleurs Attention à N2, O2, Ar, CH4 Frottement condenseur / Pression capillaire 1.E-07 1.E-08 1.E-09 1.E-10 He 4 L Cond. λ σ frott diphasique 2. ρv.hlv.q O2 N2 Ne H2 2 Ar CO CH4 NH3 1.E Température (K) Comparaison des performances des fluides à géométrie donnée SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 11

12 LES BOUCLES FLUIDES CRYOGENIQUES : Pression de remplissage à 300K Taux de remplissage en liquide à froid de 50% Pression de remplissage très élevées et > à Pcritique Pression de remplissage (bar) He 4 H2 Ne O2 N2 C0 Ar CH4 NH Température (K) SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 12

13 Réservoir chaud V Réservoir chaud >> V boucle cryo afin d avoir une pression de remplissage à 300K < à Pcritique Transferts de masse et d énergie entre partie froide et réservoir chaud SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 13

14 Le refroidissement Initialement tout est à 300K Evaporateur Condenseur P 300K Réservoir chaud SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 14

15 Le refroidissement en l absence de gravité Situation bloquée! Evaporateur Condenseur Réfrigérateur en marche P Réservoir chaud SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 15

16 CONCEPT DE BOUCLE CRYOGENIQUE (Swales Aerospace, 2003) Ligne liquide Q P IN Mèche Ligne vapeur Evaporateur primaire Circuit secondaire: Refroidissement Compensation des pertes Ligne fluide secondaire Ligne vapeur secondaire Réservoir froid Evaporateur secondaire Condenseur Primaire Q S IN Condenseur secondaire Q OUT Réservoir chaud SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 16

17 Le refroidissement (1) Isotherme à 300K SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 17

18 Le refroidissement (2) Frigo en service SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 18

19 Le refroidissement (3) Frigo en service SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 19

20 Transferts de chaleur dans l évaporateur Baisse considérable de la conductivité thermique des matériaux: Quel impact sur les transferts de chaleur dans l évaporateur (DT, pénétrations vapeur)? 1000 CUIVRE Conductivité (W/m-K) ALU INOX Température (K) Besoin d une recherche sur le sujet : Travail en cours à l IMFT (T. Coquard, C. Louriou) Améliorations souhaitées : 1. Approche plus fine, à l échelle du pore (transferts de chaleur au voisinage de la ligne de contact) (CEA-Grenoble, V. Nikolayev) 2. Adapation aux fluides cryogéniques 3. Validation expérimentale SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 20

21 La boucle fluide cryogénique du CEA/SBT Conçue pour transporter 10 W à 80K avec de l azote Plan froid (condenseurs) Evaporateur primaire Evaporateur secondaire 0.46m Réservoir froid SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 21

22 EVAPORATEURS EVAPORATEUR PRIMAIRE 1 entrée, 2 sorties Baionette Bâti en Cuivre 22ODx64L Mêche capillaire en inox (15µm pore, 35%porosité, m 2 permeabilité) Chauffage électrique Instrumentation interne (sonde capacitive => taux de présence de vapeur) EVAPORATEUR SECONDAIRE Identique au primaire, sans instrumentation Sonde capacitive SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 22

23 CRYOSTAT DE TEST GM cryocooler Hot resrvoir Vacuum chamber 80K Thermal shield LN 2 SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 23

24 REFROIDISSEMENT: RESULTATS Tevap Fraction de vapeur Température (K) Tcond 5W :30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 Heure (h:mn) 0.0 SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 24

25 SEQUENCE TYPIQUE DE TEST A FROID Température (K) W 5W 7W 9W 11W 13W 17W 15W Tevap Tcond 21W 19W 0W Taux de présence de vapeur 79 08:10:00 08:40:00 09:10:00 09:40: Heure (h:mn:s) Meilleure performance : 19W@5K SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 25

26 DES IDEES DE R&D pour la cryogénie Transferts de chaleur au sein de l évaporateur et validation expérimentale associée Outil d analyse système pour la prédiction du comportement des boucles, incluant les spécificités cryogéniques (réservoir chaud, circuit secondaire, rayonnement), prédiction du DT et marge au désamorçage SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 26

27 Les boucles fluides cryogéniques au CEA/SBT Des moyens de caractérisation de mèche capillaire (rayon de pore, perméabilité): Des compétences pour le design Des compétences technologiques et d expérimentation Des moyens de test à froid Des compétences de modélisation et d analyses SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 27

28 CONCLUSION Comparaison des fluides cryogéniques Spécificités des boucles fluides cryogéniques Réservoir chaud Refroidissement (circuit secondaire) Rayonement extérieur Matériaux peu conducteurs (Transferts de chaleur dans la mèche capillaire) Mèches capillaires: faible rayon de pore (1µm voire -) pour les très basses températures Evaluation d une boucle fluide au CEA/SBT R&D : Cryostat de test 19W@5K à 80K avec de l azote Le CEA/SBT: un labo d accueil idéal pour partager une R&D sur les boucles fluides cryogéniques SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 28