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
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
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
LES FLUIDES CRYOGENIQUES : Gammes de pressions et températures 2 zones non couvertes 5K-13K 45K-55K 100.000 10.000 Point critique Ne Ar CH4 He 4 Psat (bar) 1.000 0.100 H2 N2 CO NH3 4K à 200K 1mbar à 50bar 0.010 0.001 Point triple 1.0 10.0 100.0 1000.0 Température (K) O2 SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 4
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-01 1.00E-02 1.00E-03 1.00E-04 He 4 H2 Ne O2 N2 CO CH4 Ar 1.00E-05 1.0 10.0 100.0 1000.0 Température (K) SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 5
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-03 1.0 10.0 100.0 1000.0 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
BESOIN PUISSANCE FRIGORIFIQUE DANS LE DOMAINE SPATIAL 10000.000 Besoin Puissance Spacial (W) 1000.000 100.000 10.000 1.000 0.100 0.010 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 0.001 1 10 100 1000 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
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-11 1.0 10.0 100.0 1000.0 Température (K) Certains fluides (H2, CO) sont meilleurs SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 8
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 1.0 10.0 100.0 1000.0 Température (K) N2 O2 Ar CO CH4 NH3 SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 9
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-01 1.0 10.0 100.0 1000.0 Température (K) SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 10
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-11 1.0 10.0 100.0 1000.0 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
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) 1000 100 He 4 H2 Ne O2 N2 C0 Ar CH4 NH3 10 1.0 10.0 100.0 1000.0 Température (K) SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 12
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
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
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
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
Le refroidissement (1) Isotherme à 300K SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 17
Le refroidissement (2) Frigo en service SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 18
Le refroidissement (3) Frigo en service SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 19
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) 100 10 1 ALU INOX 0.1 1 10 100 1000 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
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
EVAPORATEURS EVAPORATEUR PRIMAIRE 1 entrée, 2 sorties Baionette Bâti en Cuivre 22ODx64L Mêche capillaire en inox (15µm pore, 35%porosité, 2 10-13 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
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
REFROIDISSEMENT: RESULTATS 350 1.0 300 Tevap Fraction de vapeur Température (K) 250 200 150 Tcond 5W 0.5 100 50 9:30 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
SEQUENCE TYPIQUE DE TEST A FROID Température (K) 91 89 87 85 83 3W 5W 7W 9W 11W 13W 17W 15W Tevap Tcond 21W 19W 0W 0.9 0.4 81 Taux de présence de vapeur 79 08:10:00 08:40:00 09:10:00 09:40:00-0.1 Heure (h:mn:s) Meilleure performance : 19W@5K SFT, Journée Boucles Fluides Diphasiques à Pompage Capillaire, 3 Décembre 2008, PARIS Slide n 25
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
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
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