Boucle fluide et séquence expérimentale

Les objectifs scientifiques sont sensiblement les mêmes que ceux poursuivis lors de l’élabora- tion de l’expérience SOURCE 1, de sorte que le dispositif expérimental de SOURCE 2 a été fortement inspiré par celui de la première expérience. Le fluide utilisé est le même, il s’agit du 1-methoxyheptafluoropropane (C3F7OCH3) communément appelé HFE7000 et fabriqué par

3M sous la marque NOVEC. Afin d’assurer une pressurisation du HFE 7000 par sa propre va- peur, la boucle fluide a du être repensée de manière à assurer une configuration mono-espèce. Il a notamment été nécessaire d’incorporer un réservoir supplémentaire qui puisse fournir la vapeur d’HFE7000 lors des phases de pressurisation.

FIGURE5.3 – Boucle fluide simplifiée

Sur la figure :5.3 est représenté un schéma reprenant les principaux éléments de la boucle fluide utilisée pour notre expérience. On peut voir le dispositif de remplissage composé du réservoir R3, (contenant initialement le HFE 7000 liquide dégazé), d’une vanne EV 1 et d’une pompe. Le

5.2. DESCRIPTION DE L’EXPÉRIENCE 128

réservoir R3 est divisé en deux compartiments séparés par une membrane, le premier contient l’azote qui va pressuriser le HFE 7000 contenu dans le second compartiment. De sorte, que le HFE7000 du réservoir R3, qui est introduit dans la cellule d’essai, est remplacé par de l’azote. De plus, l’utilisation d’une membrane pour séparer l’azote, du HFE7000 permet à ce dernier de rester pur. Le fluide contenu dans le réservoir R3 est introduit dans la cellule d’essai grâce à un système de pompe et de vanne noté EV1 sur la figure : 5.3. Le débit d’injection est contrôlé par l’opérateur afin d’assurer un remplissage progressif et d’éviter des projections de HFE7000 dans la cellule expérimentale. Le système d’injection de la vapeur est composé du réservoir R2 (contenant de la vapeur sèche surchauffée), d’un col sonique et d’une vanne (fig :5.3). Dans les deux réservoirs (R2 et R3), la pureté du HFE7000 a été vérifiée au préalable. Dans le cas du ré- servoir R2, le HFE 7000 liquide a été porté à ébullition pendant plusieurs heures, juste avant le vol, puis sa vapeur a été surchauffée jusqu’à obtenir une pression de 14 bar et une température de 150 C. Pendant la phase d’ébullition une courbe d’évolution de la température en fonction de la pression a été tracée (les symboles ronds sur la figure 5.4) et comparée à la courbe de saturation fournie par le fabricant.

FIGURE5.4 – Courbe de saturation

Sur la courbe 5.4, nous observons que la température du HFE7000 mesurée dans le réservoir R2 correspond à la température de saturation pour la pression considérée, au degré près. La superposition des deux courbes pour des pressions inférieures à 13 bar confirme la pureté du HFE7000 utilisé, (un travail similaire a été fait pour confirmer la pureté du HFE7000 introduit dans le réservoir R3 et la quasi absence de gaz incondensables). À partir de 13 bar, la tem- pérature dans R2 devient plus importante que la température de saturation, et le HFE7000 est totalement en phase vapeur surchauffée. Cette courbe, obtenue pendant le compte à rebours de la fusée Maser 12, a donc permis de vérifier la pureté du HFE lors du vol.

En sortie du réservoir R2, se trouve un col sonique par lequel passe la vapeur d’HFE lors des phases de pressurisation de la cellule d’essai. Le diamètre de ce col a été préalablement calibré afin de connaître le débit massique le traversant. Pour cela nous avons utilisé un dis- positif expérimental composé d’un réservoir comprenant du HFE7000 liquide dégazé, du col sonique considéré sur la figure 5.3 et d’un débit mètre (voir annexe B). Nous avons surchauffé

CHAPITRE 5. EXPÉRIENCE : SOURCE II 129

le HFE7000 dégazé et avons comparé les débits massiques obtenus avec le débit mètre à ceux obtenus de façon théorique, en fonctionnement sonique du col, relation (5.1).

˙ debit = Pi p_γπd2 col/4 p rTi  P Pi γ+1_2γ (5.1) P Pi =  2 γ + 1 _γ−1γ (5.2) Dans les équations (5.1) et (5.2), γ représente le coefficient polytropique, dcol le diamètre du

col sonique, Tila température à l’amont du col, Pila pression à l’amont du col et P la pression

à l’aval du col. Au final nous avons obtenu un bonne correspondance entre les mesures et nos calculs pour un diamètre de col dcolégal à 0.35 mm, (voir annexe B).

En sortie du col, se trouve la vanne EV2 qui permet de connecter le réservoir R2 à la cel- lule d’essai. La cellule d’essai noté R1 sur la figure : 5.3 est le réservoir dans lequel se déroule les expériences. Dans la suite nous présenterons plus détail ce réservoir dans lequel se trouvent les principaux capteurs qui ont permis de suivre l’évolution des grandeurs thermodynamiques, (pression, température...), durant le vol en gravité réduite.

La fusée sonde nous permet d’avoir une période de microgravité de 6 minutes. L’ordre et les conditions dans lesquelles les études se sont succédées ont été établis de façon à éviter, au maximum, qu’une expérience puisse handicaper celle qui suit. Le déroulement du processus ex- périmental qui a été choisi est présenté sur la (fig :5.5) où on peut suivre notamment l’évolution de la pression dans le réservoir dans lequel l’ébullition aura lieu.

5.2. DESCRIPTION DE L’EXPÉRIENCE 130

Lorsque la fusée est lancée la cellule d’essai est vide (figures 5.6 et 5.7), les parties supé- rieures et latérales du réservoir sont initialement chauffées, tandis que sa partie inférieure est maintenue à une température de 298K. Juste avant la période de microgravité le remplissage du réservoir commence (étape 1 de la séquence expérimentale fig : 5.5), le HFE 7000 est injecté dans la cellule d’essai et pressurisé par de la vapeur de HFE 7000. Lorsque l’interface liquide vapeur a atteint la hauteur désirée, le remplissage est stoppé et la pression est régulée à 2bar. La dynamique de la ligne de contact et les transferts thermiques proches de cette dernière sont alors étudiés par le ZARM (étape 2 de la séquence expérimentale fig : 5.5). Puis la pression est augmentée à 4bar en injectant de la vapeur, et durant cette troisième étape, (fig : 5.5), la stra- tification thermique dans le liquide et le transfert thermique au niveau de la surface libre sont analysés par AIR LIQUIDE. Ensuite la pression est diminuée et maintenue constante à 1.5bar et le chauffage est activé sur la plaque où se déclenche l’ébullition. Durant cette quatrième étape (fig : 5.5), le liquide est sous-refroidi. Puis durant l’étape 5, la pression est réduite à 1bar et l’ébullition est analysée dans les conditions de saturation. Lors de ces deux étapes, l’étude de l’ébullition en microgravité est assurée par notre laboratoire, l’IMFT. Lors de la sixième phase de la séquence expérimentale (fig : 5.5), Astrium a étudié l’ébullition lors de la dépressurisation de 1bar à 0.5bar et le transfert de chaleur induit par re-circulation de HFE 7000 liquide dans la cellule d’essai.