Matériaux

L’expérience modèle est composée de différents matériaux fluide et solide. On décompose notre système en 3 parties différentes :

— Le fluide réfrigérant, le HFE7000.

— Le clinquant qui est un acier inoxydable à haute résistivité.

— La peinture déposée sur la partie métallique avec une haute émissivité utilisée pour la thermographie infrarouge (partie détaillée dans la suite).

Le fluide : HFE7000

Dans un REP, c’est l’eau qui est utilisée comme fluide caloporteur à une pression de 155bars. Dans ce cas là, la chaleur latente de vaporisation hlv est de 970 kJ.kg−1 et la température de

saturation de 345o_{C. Utiliser l’eau pose alors des problèmes de sécurité puisque il faudrait}

des puissances trop importantes pour créer de l’ébullition transitoire rapide. De plus, de tels niveaux de pression sont compliqués à reproduire en laboratoire.

Le fluide finalement retenu est le 1-methoxyheptafluoropropane (C3F7OCH3), un réfrigé- rant appelé HFE7000 (3M). Et la pression à l’intérieur de la section d’essai reste proche de 1bar. Du fait des propriétés thermodynamiques de ce fluide (Table 2.1), les phénomènes appa- raissant dans un RIA sont reproduits en ayant recours à des puissances réduites (de l’ordre du kW) sur une plus petite gamme de température (Texp ǫ[15-350]oC). Ces conditions sont rendues

possible car la température de saturation Tsatest seulement de 34oC à pression atmosphérique

et la chaleur latente de vaporisation de ce fluide est dix fois plus faible que celle de l’eau. Cela entraîne ainsi la réduction du flux critique, à pression atmosphérique, la corrélation de Zuber et coll. [106] détermine un flux critique de 1.11MW.m−2 _{pour l’eau alors qu’il est seulement de} 0.17MW.m−2 _{pour le HFE7000.}

Une étude bibliographique plus précise a permis de déduire des corrélations pour les diffé- rentes propriétés thermiques liquide et vapeur du HFE7000 en fonction de la pression et de la température, cf Annexe A.

Tableau 2.1 – Propriétés physique du HFE7000 à température de saturation et pression atmosphérique. ρl (kg.m−3) Cp,l (J.kg−1.K−1) λl ( W.m−1.K−1) νl (m2.s−1) σ (N.m−1) 1376 1185 0.073 2.8 · 10−7 _{11.45 × 10}−3 ρv (kg.m−3) Cp,v (J.kg−1.K−1) λv ( W.m−1.K−1) νv (m2.s−1) hlv (kJ.kg−1) 7.9 975 0.0135 0.293.10−6 ₁₃₂

Il faut également noter que les propriétés du HFE7000 sont sensibles à la présence d’air dissous et que la solubilité à l’air est élevée (environ 35% par volume de fluide). Une procédure de dégazage est donc nécessaire à chaque remplissage de boucle. La figure 2.3 représente le point d’ébullition du HFE7000 à différentes pressions et pour différents niveaux de dégazage. Cette procédure de dégazage consiste à monter en température le fluide dans une enceinte fermée qui va alors monter en pression en raison de la formation de vapeur du HFE7000. Cette vapeur va être ensuite recondensée dans l’enceinte à l’aide d’une colonne de distillation.

Figure2.3 – Point d’ébullition du HFE7000 à diffŕentes pressions pour plusieurs dégazages. Le dégazage No_{3 permet de retrouver des températures d’ébullition proches de la courbe}

de saturation (fluide pur). Lors de chaque remplissage de la section d’essai, au moins trois dégazages sont alors opérés.

Ce fluide est directement en contact avec la paroi chauffée sur laquelle l’ébullition transitoire va apparaître.

La paroi intérieure chauffée par effet Joule

Le demi-cylindre chauffé par effet Joule, que l’on appelle clinquant, est fait d’un acier inoxydable AISI304. Il est découpé selon le patron de la figure 2.4. Il a une surface assez importante pour prendre en compte le collage des plaques de quartz avec une longueur de 22.2mm pour former le demi-cercle de 4.2mm de diamètre et deux bandes de 4.5mm collées au quartz.

20cm 8.5cm Partie collée Zone de mesure Mesure de Tension

Zone chau ée par l'Alimentation électrique

Figure 2.4 – Photo et schéma du clinquant avant collage.

La partie centrale est courbée pour former le demi-cylindre et ses extrémités latérales sont collées aux plaques de quartz. Ce qui laisse une partie chauffée mesurable (zone rouge sur le schéma) d’une longueur de 8.5cm en contact directement avec le HFE7000 pour une épaisseur de 50µm. Les propriétés physiques et thermiques de ce métal sont données par le fabricant [1], dans l’étude de Sweet et coll. [94] et dans eurocode [34]-[72] et plus particulièrement sa conductivité thermique et sa capacité calorifique en fonction de la température (figure 2.5).

Figure 2.5 – Évolution de la conductivité thermique et de la capacité calorifique de l’acier AISI304 en fonction de la température.

Trois lois peuvent être considérées pour la conductivité thermique en fonction de la tempé- rature : λw=      16.3W.m−1_.K−1_[1] 14.39 + 0.0159.T[94] 14.6 + 0.0127.T[34] De même pour la capacité calorifique :

Cpw=      500J.kg−1_.K−1_[1] 3.22.10−6_.T3_{− 2.05.10}−3_.T2_{+ 0.593.T+462.2[94]} 1.34.10−7_.T3_{− 2.91.10}−4_.T2_{+ 0.280.T+450[34]} avec T eno_C.

Sur notre gamme de température, il n’y a pas de différence entre les sources pour la conduc- tivité thermique, ce qui n’est pas le cas pour la capacité calorifique, on retient alors la formule de Sweet et coll. [94] qui donne une valeur proche du fabriquant à 20o_{C (figure 2.5).}

En ce qui concerne la masse volumique du métal, on la considère constante lors des montées en température, égale à 7930 kg.m−3 _{([1]). Le nombre adimensionnel de Biot du clinquant se} déduit de ses propriétés thermiques :

Bi = h.Lcarac

λ (2.1)

Avec h le coefficient d’échange, Lcaracla longueur caractéristique qui correspond à l’épaisseur

du clinquant et λ sa conductivité thermique. Ce nombre compare les résistances au transfert thermique à l’intérieur et à la surface d’un corps. Pour un coefficient de transfert thermique typique des phénomènes les plus forts, h=6000W.m−2_.K−1_{, le nombre de Biot vaut 0.018, ce qui} est faible devant 1. Les gradients thermiques à travers le clinquant sont alors négligeables. Aussi, le temps de diffusion dans cette paroi τdif f,w= e

2

w

αw est égal à 0.6ms, ce qui reste suffisamment

faible devant les temps de variation de la température aux temps courts (≈10ms).

Enfin, ce métal a un avantage par rapport à d’autres matériaux, il a une haute résistivité électrique de 72.10−6_{Ωm (la résistivité du cuivre par exemple est de 17.10}−9_{Ωm [1]) ce qui} permet un chauffage efficace.

L’effet Joule est produit par une alimentation SORENSEN SGA directement branchée au clinquant. Elle peut envoyer une puissance jusqu’à 10kW sur une gamme de courant de 0 à 250A et une gamme de tension de 0 à 40V. De plus, elle est pilotable et permet d’imposer plusieurs types de signaux (créneau, rampe ou exponentielle) avec un temps de réponse très court de l’ordre de la milliseconde. En ce qui concerne les mesures, celle de tension est directement prise aux bords du clinquant par l’ajout de petites extensions à celui-ci, en effet la résistance de ces petites extensions est assez grande pour que leur présence ne perturbe pas les lignes de courant dans le clinquant. L’intensité est directement lue sur l’alimentation par le chassis

National Instrument CompactRIO. Cependant, pour vérifier que le courant est le même quelque

soit l’endroit du circuit, on ajoute un ampèremètre ITB 300-S LEM qui fonctionne avec l’effet Hall, c’est-à-dire qu’une bobine entoure un fil connectique du circuit et lorsque qu’un courant électrique passe à travers, celle-ci engendre une tension reliée à l’intensité imposée. Il a un temps de réponse court (de l’ordre de 1µs à 300A) sur la gamme de l’alimentation, c’est donc cette mesure qui est retenue pour le calcul de la puissance dissipée par effet Joule dans le clinquant. Cette puissance est calculée comme P=U.I et la résistance électrique est déterminée par R=U/I. La figure 2.6 représente le schéma électrique du circuit avec les différents branchements.

Le clinquant a une faible émissivité, un dépôt de peinture se rapprochant d’un corps noirs recouvre alors la paroi.

Le dépôt de peinture

On utilise la thermographie infrarouge (détaillée dans la suite) pour la mesure de tempéra- ture du clinquant. L’émissivité du métal a été mesurée expérimentalement par la méthode de la sphère intégrante et vaut 0.2. De plus, les fortes réflexions du métal engendre des bruits sur la caméra infrarouge qui mesure un champ de température de paroi. Il est alors nécessaire de déposer une peinture très émissive pour mesurer précisément ce champ de température. Une peinture noire mate BELTON Spectral RAL 9005 qui se rapproche d’un corps noir est alors déposée sur le clinquant. Sa haute émissivité (ǫpaint=0.94) permet des mesures précises sur

la caméra infrarouge sans réflexion. Une étude, menée par l’entreprise NEOTIM, a permis de caractériser la conductivité thermique et la capacité calorifique massique d’une échantillon de peinture solide en fonction de la température sur la gamme 40-200o_{C, figure 2.7.}

A

V

Figure2.6 – Branchements électriques

(a) (b)

Figure2.7 – a) Évolution de la conductivité thermique et b) évolution de la capacité calorifique de la peinture.

La mesure de la conductivité thermique est effectuée par la méthode d’analyse du Hot Disk où une sonde, constituée d’une double spirale de nickel sur un support isolant en kapton, est positionnée au sein de l’échantillon à caractériser. Un échelon de puissance constant est ensuite imposé pour déterminer la conductivité thermique en fonction des variations de température mesurées par la sonde.

Les mesures de la capacité calorifique ont été réalisées par calorimétrie à balayage (DSC : Differential Scanning Calorimetry) avec un étalon saphir. Cette technique place le matériau dans un microcreuset cylindrique en aluminium puis dans un four et le but consiste à maintenir une température identique à un four de référence pour chaque instant. Ainsi, si un phénomène thermique a lieu dans l’échantillon, le calorimètre va rétablir l’égalite des températures. Cette différence des puissances échangées entre les plateaux et les cellules est alors enregistrée pour déterminer une capacité calorifique du matériau. Une descripton détaillée est apportée par Kousksou et coll.[58]. Une réaction exothermique a eu lieu lors de l’étude à partir de 140o_C,

les données n’ont pu donc pas être exploitées et une extrapolation pour ces températures a été faites.

Ces propriétés varient avec la température. Étant donné le faible nombre de points de mesure, la conductivité thermique et la capacité calorifique massique sont modélisées par un polynôme du 1er ordre, tout comme le clinquant.

Deux lois sont alors proposées pour la conductivité thermique :

λp=

(

0.15 W.m−1_.K−1 0.11 + 0.00104.T De même pour la capacité calorifique :

Cpp =

(

1550 J.kg−1_.K−1 9.36T+1291 avec T eno_C.

En ce qui concerne la masse volumique de la peinture, elle est mesurée et considérée constante lors des montées en température, ρp=1200kg.m−3. On connaît ainsi la diffusivité

thermique de cette peinture.

Comme pour le clinquant, le nombre de Biot est calculé à l’aide des propriétés thermiques de la peinture. Pour un même coefficient de transfert thermique, h=6000W.m−2_.K−1_{, le nombre} de Biot vaut 1, pour une épaisseur de 25µm. Les gradients thermiques à travers celle-ci ne peuvent pas être négligés. Aussi, le temps de diffusion dans cette paroi τdif f,p = e

2

p

αp est égal à

8ms, ce qui reste important devant les temps de variation de la température aux temps courts (≈10ms). L’évolution de la température des deux côtés de la paroi admet un décalage temporel et doit être pris en compte dans le bilan d’énergie. Une étude plus poussée est apportée dans la suite de l’étude.

Cet ensemble est ensuite maintenu dans une cellule faite d’aluminium qui correspond à notre section d’essai et qui est placée dans une boucle hydraulique.