Fonctionnement du PHP rempli ` a l’´ ethanol

5.2.1.1 R´esultats et tendances g´en´erales

Les courbes de la figure 5.10 repr´esentent l’´evolution de la conductance globale, rap-port´ee `a la conductance de conduction pure, permettant d’observer l’am´elioration effective des performances du syst`eme en pr´esence du PHP. Ce dernier fonctionne (apparition d’os-cillations) d`es le premier incr´ement de puissance `a 100 W (en notant qu’il peut ´egalement fonctionner pour de plus faibles puissances, comme nous le verrons plus loin), d`es lors que l’´ecart de temp´erature requis est atteint.

Figure 5.10 – Performances du syst`eme en fonction de la puissance impos´ee (Ethanol, T R = 50%)

Le constat commun `a toutes les configurations, `a quelques exceptions pr`es mises en avant plus loin (en position verticale favorable notamment), est l’augmentation globale de la conductance avec la puissance impos´ee. Ainsi, entre 100 W et 400 W, comme l’illustre

3. On notera toutefois que cette comparaison est donn´ee uniquement `a titre indicatif, la structure des syst`emes consid´er´es dans la litt´erature ´etant ´evidemment diff´erente de celle ´etudi´ee ici.

la figure 5.10, la conductance globale du PHP et du carter assembl´es est jusqu’`a 5 fois sup´erieure `a celle du carter en aluminium pris seul⁴. En r´ealit´e industrielle, il est fort pos-sible que cette derni`ere contribution soit plus faible. Le rˆole du PHP en serait am´elior´e. On peut ´egalement mesurer la contribution PHP relativement `a la conduction qui op`ererait dans un tube plein de mˆeme encombrement, comme nous l’avions observ´e au paragraphe 4.6.6. L’installation du PHP augmente alors d’un facteur 20 environ la si-tuation diffusive seule. Si cette figure pr´esente les r´esultats obtenus pour un taux de remplissage de 50%, l’influence de ce param`etre et les r´esultats obtenus pour diff´erents T R seront pr´esent´es par la suite.

5.2.1.2 Influence de la source froide

On distingue sur la figure 5.10 trois groupes de courbes (pour trois couleurs diff´erentes) illustrant les trois temp´eratures de source froide test´ees : T_cryo = 10˚C, 40˚C et 70˚C. Ces courbes, pour chaque orientation, sont d´etaill´ees sur la figure 5.11.

Figure 5.11 – Conductance thermique en fonction de la temp´erature de source froide Tcryo

et de la puissance, pour diff´erentes orientations : (a) horizontal, (b) vertical favorable, (c) vertical d´efavorable (Ethanol, T R = 50%)

Il paraˆıt clair que les temp´eratures les plus ´elev´ees m`enent aux conductances les plus importantes, et ce quelles que soient l’orientation et la puissance impos´ee. En revanche,

4. On rappelle qu’il s’agit bien de la valeur d´etermin´ee dans le chapitre 4 : Dispositif exp´erimental, soit G_cond = 1,59 W/K.

il est plus difficile de d´egager une tendance entre 40˚C et 70˚C. Les niveaux de perfor-mances sont globalement ´equivalents pour ces deux temp´eratures, dans les configurations horizontale et verticale d´efavorable (voir figure 5.11). N´eanmoins, en position verticale favorable, les valeurs des conductances sont assez nettement sup´erieures aux autres dis-positions. Dans cette configuration, l’augmentation de T_cryo se traduit syst´ematiquement par une augmentation de la conductance, de sorte que : G_th,10˚C < G_th,40˚C < G_th,70˚C. De toute ´evidence, comme nous le verrons au paragraphe 5.2.2, les propri´et´es thermophy-siques jouent, chacune, un rˆole sp´ecifique dans ces hi´erarchies.

5.2.1.3 Influence de l’orientation

Concernant l’orientation, on distingue, sur la figure 5.10, les configurations horizontale (traits pleins), verticale favorable (traits interrompus) et verticale d´efavorable (pointill´es). Ces courbes, pour chaque temp´erature de source froide, sont d´etaill´ees sur la figure 5.12. Si l’on consid`ere en premier lieu les configurations horizontale et verticale d´efavorable, on distingue peu de diff´erences aux niveaux des performances. Pour T<sub>cryo</sub> = 10˚C, les valeurs de conductances sont l´eg`erement sup´erieures en horizontal, particuli`erement pour des puissances inf´erieures `a 250 W. Pour les temp´eratures de source froide de 40˚C et 70˚C, les courbes sont quasiment confondues.

Figure 5.12 – Conductance thermique en fonction de l’orientation et de la puissance, pour diff´erentes temp´eratures de source froide : (a) Tcryo = 10˚C, (b) Tcryo = 40˚C, (c) T_cryo = 70˚C (Ethanol, T R = 50%)

La position verticale favorable, ´evaporateur sous le condenseur, semble avoir plus d’in-fluence sur les performances du syst`eme, ce dernier se r´ev´elant plus sensible aux autres param`etres. Si les conductances augmentent g´en´eralement avec la puissance, comme men-tionn´e plus haut, on distingue dans cette configuration deux comportements particuliers : – Pour T_cryo = 40˚C et 70˚C, les valeurs de conductances en position verticale favorable sont sup´erieures `a celles associ´es aux deux autres orientations, observation d’autant plus flagrante `a 70˚C. Par ailleurs, elles semblent tendre vers une valeur asympto-tique aux alentours de G_th = 8 W/K, avant d’atteindre la temp´erature limite de s´ecurit´e. Sur l’ensemble des essais effectu´es, ce constat est l’un des rares indiquant vraisemblablement une limite du syst`eme en terme de performances, bien que les donn´ees dont nous disposons ne permettent pas de d´eterminer pr´ecis´ement cette limite, cette derni`ere d´ependant en outre, probablement, des conditions op´eratoires. – Pour T_cryo = 10˚C, les valeurs sont inf´erieures aux autres orientations `a basses puissances, et la conductance ne suit pas une ´evolution monotone en fonction de la puissance, comme dans les autres cas. On observe un point d’inflexion entre 250 W et 300 W, signifiant probablement un changement de r´egime d’´ecoulement ou de r´epartition du fluide au sein du tube. Un zoom sur l’´evolution temporelle des temp´eratures de chaque branche dans la zone ´evaporateur, entre 200 W et 300 W, ef-fectu´e pr´ec´edemment, apporte un ´el´ement d’explication (figure 5.7). Jusqu’`a 250 W, l’inhomog´en´eit´e des temp´eratures de la branche 1 par rapport aux autres, indi-quant une r´epartition in´egale de fluide d’une branche `a l’autre, est ´evidente. Lors du passage `a 300 W, la temp´erature de la branche 1 augmente avant de brusque-ment diminuer, s’´egalisant de fait avec les autres branches. Les temp´eratures des 4 branches (et donc le ∆T global entre l’´evaporateur et le condenseur) augmentent alors de mani`ere importante entre 250 et 300 W, expliquant la baisse de conduc-tance observ´ee figure 5.12 (a) `a partir de 250 W. On peut supposer l’apparition d’une nouvelle r´epartition du fluide au sein du PHP `a cette puissance, favoris´ee par l’orientation du syst`eme. On observera effectivement des points d’inflexions de ce type pour les autres taux de remplissage (40% et 60%) dans les mˆemes conditions op´eratoires (vertical favorable et T_cryo = 10˚C). Ce type de ph´enom`ene est ´egalement observable dans la litt´erature [32], o`u l’on peut voir des baisses de r´esistance d’un syst`eme PHP `a faibles puissances, suivies d’une brusque augmentation de celle-ci, avant de d´ecroitre `a nouveau avec la puissance (voir figure 3.18). Il semble donc exister, pour une configuration donn´ee, une valeur critique de puissance `a partir de laquelle le r´egime d’´ecoulement change et o`u les performances globales deviennent ind´ependantes des autres param`etres.

Finalement, si la disposition verticale favorable offre la plupart du temps les meilleures performances, elle peut montrer certaines irr´egularit´es dans l’´evolution de la conductance avec la puissance. En outre, le PHP consid´er´e ici semble en mesure de fonctionner sous toutes les inclinaisons, y compris verticale d´efavorable, qualit´e reconnue des caloducs os-cillants, compar´es aux caloducs traditionnels `a pompage capillaire.

5.2.1.4 Influence de taux de remplissage

Outre le taux de remplissage de 50%, servant fr´equemment de r´ef´erence dans l’´etude des PHP, les valeurs T R = 40%, 60%, et ´egalement 30% avec l’´ethanol, ont ´et´e test´ees. Concernant le taux de remplissage de 40%, les niveaux de performances sont illustr´es sur la figure 5.13, de la mˆeme fa¸con que pour T R = 50% (figure 5.10). On observe globalement les mˆemes tendances que pour ce dernier taux de remplissage, `a savoir :

– Conductances globalement moins ´elev´ees `a T<sub>cryo</sub> = 10˚C qu’`a 40˚C et 70˚C.

– Conductances plus ´elev´ees en vertical favorable `a 40˚C, et 70˚C a fortiori, et diff´erence peu marqu´ee entre horizontal et vertical d´efavorable pour ces temp´eratures.

– En position verticale favorable, les conductances augmentent lorsqu’on augmente T_cryo.

Figure 5.13 – Performances du syst`eme en fonction de la puissance impos´ee (Ethanol, T R = 40%)

En revanche, il est plus difficile de d´egager une tendance pour le taux de remplissage de 60% (figure 5.14). Les r´esultats ne tendent pas `a confirmer ceux observ´es pour les deux pr´ec´edents, notamment les conductances en position verticale favorable, inf´erieures aux autres orientations. Il ressort essentiellement de ces r´esultats la baisse significative des performances du PHP `a T R = 60%, la temp´erature de s´ecurit´e ´etant de surcroit plus rapidement atteinte. Ces diff´erents constats sont plus nettement visibles sur la figure 5.15, montrant les conductances atteintes pour chaque configuration en fonction du taux de remplissage, `a puissance donn´ee (400 W pour T_cryo = 10˚C, 300 W pour T_cryo = 40˚C et

100 W pour T_cryo = 70˚C). La baisse des performances est en effet ´evidente `a T R = 60%, alors qu’elles sont sensiblement meilleures `a T R = 40% par rapport `a T R = 50%, ex-ception faite pour Tcryo = 70˚C o`u le second est l´eg`erement sup´erieur au premier. Il est n´eanmoins difficile de d´egager une tendance entre 40% et 50%. Ces constats peuvent ˆetre mis en parall`ele avec ceux obtenus par Qu et Wang [34] (illustr´es sur la figure 3.17), o`u les performances d’un PHP (´egalement test´e avec de l’´ethanol) sont relativement proches `

a T R = 40% et 50%, et moindres `a T R = 60%.

Figure 5.14 – Performances du syst`eme en fonction de la puissance impos´ee (Ethanol, T R = 60%)

Si la figure 5.15 montre clairement une limite sup´erieure de taux de remplissage, `a partir de laquelle les performances du PHP diminuent nettement, il n’en est pas de mˆeme pour la limite inf´erieure. C’est pourquoi des essais, avec T R = 30%, pour l’´ethanol, ont ´

egalement ´et´e r´ealis´es. L`a encore, ce taux de remplissage offre des performances globale-ment ´equivalentes `a T R = 40% et 50%, pouvant ˆetre plus ou moins ´elev´ees suivant les cas. Bien qu’il existe un taux de remplissage optimal pour une configuration donn´ee, la sensi-bilit´e du syst`eme `a ce param`etre est peu prononc´ee sur une plage de valeur allant, dans le cas pr´esent, de 30% `a 50%. Si des taux de remplissage inf´erieurs n’ont pas ´et´e test´es, on peut raisonnablement penser que, pour de faibles valeurs (T R = 20% par exemple), les performances se d´egraderaient, pour les raisons ´evoqu´ees pr´ec´edemment dans ce m´emoire (paragraphe 3.2.4), et illustr´ees sur la figure 3.15. Toutefois, des essais suppl´ementaires permettraient de d´eterminer les limites pr´ecises de cette plage de fonctionnement, relative `

Figure 5.15 – Comparaison des performances du syst`eme en fonction du taux de rem-plissage pour l’´ethanol