Principe de fonctionnement

Dans le cas d’un fonctionnement nominal, on peut distinguer trois interfaces liquide-vapeur : à l’évaporateur, au condenseur et au réservoir. Afin de mieux appréhender le comportement d’une CPL, une étude du diagramme (P,T) (cf. figure I.16) représente l’évolution de l’état thermodynamique d’une particule de fluide circulant au sein de la boucle schématisée sur la figure I.15. Les phénomènes gravitaires, dus à une éventuelle différence d’altitude entre les éléments, ne sont pas pris en compte ici.

La description du cycle débute aux points 2 à 2f. Ils se trouvent juste au-dessus de la surface d’évaporation. Le fluide est donc de la vapeur saturante. La différence entre les points cités précédemment résident en une simple différence de pression due à leur différence de position par rapport à la sortie de l’évaporateur. La vapeur circule donc de cette interface liquide-vapeur (2 à 2f) jusqu’à la sortie (3). Durant ce parcours, elle est surchauffée par convection avec la paroi chauffante du bâti et subit des pertes de charge dues à l’écoulement dans les cannelures.

La vapeur ainsi générée va donc rejoindre le condenseur (4) par l’intermédiaire de la conduite vapeur. Suivant l’isolation des conduites et les conditions environnementales, la vapeur est soit de nouveau surchauffée, soit refroidie ou bien reste à la même température. Quoi qu’il en soit, de nouvelles pertes de charge vont être engendrées.

Par la suite, de 4 à 5, la vapeur va être refroidie pour atteindre les conditions de saturation (5). Cette zone est, dans la plupart des cas, restreinte et même négligée dans beaucoup de démarches de modélisation. Une fois en présence de vapeur saturante, la condensation va avoir lieu pour obtenir du liquide à saturation (6), qui va être sous-refroidi de 6 à 7.

Le liquide va ensuite rejoindre l’évaporateur en traversant la conduite (de 7 à 9). Comme pour la ligne vapeur, le fluide subit des pertes de charge et échange éventuellement de la chaleur avec l’environnement suivant la configuration (conduite isolée ou non).

Au sein de l’évaporateur, le liquide s’écoule dans la mèche poreuse pour atteindre l’interface d’évaporation (de 9 à 1). Des pertes de charge relativement conséquentes y sont engendrées et le liquide est réchauffé. En raison du saut de pression capillaire, la saturation dans le liquide est différente de celle dans la vapeur. Ainsi, l’écart de pression entre les points 1 et 2 correspond à ce saut de pression capillaire. De plus, le niveau de ce dernier étant relativement faible, quelques milliers de Pascal, l’écart de température (de saturation) entre les points 1 et 2 est très restreint.

Le sous-refroidissement abordé précédemment (6-7) est très important. Effectivement, on voit que l’état du fluide au point 9, représentant le liquide en entrée d’évaporateur, est directement influencé par l’état en sortie de condenseur. Plus le sous-refroidissement est conséquent, plus le point 9 est éloigné de la courbe de saturation. Ceci n’a rien d’anodin car si le liquide arrive à saturation en entrée d’évaporateur, le changement de phase peut avoir lieu sur la face interne de la mèche poreuse et ainsi bloquer la circulation du fluide et par conséquent les échanges thermiques. Ceci est dramatique pour cette catégorie de boucle puisque qu’un arrêt implique une détérioration irréversible de l’évaporateur.

L’influence du réservoir est schématisé sur le diagramme (P,T) (cf. figure I.16) par les points 8 et 10. Le point 8 représente l’état thermodynamique du fluide au niveau de la jonc-tion avec la ligne liquide. Sa posijonc-tion sur le diagramme est directement liée à la situajonc-tion géographique du réservoir. Dans ce cas, puisque le réservoir est proche de l’évaporateur, le point 8 est près du point 9. L’interface liquide-vapeur présente dans ce composant (10) est la seule contrôlée physiquement (régulation effectuée). Par conséquent, c’est elle qui constitue la référence en pression (et donc en température) de la boucle. Ainsi, si l’on déplace ce point 10 sur la courbe de saturation, tout le cycle précédemment décrit suivra le même déplacement. Ceci est une caractéristique des CPL.

Remarque : Le pompage capillaire, écart de pression entre les points 1 et 2, ainsi que les principales pertes de charge sont identifiés sur le diagramme (P,T) (cf. figure I.16).

condenseur

vapeur réservoir diphasique

passage du liquide à travers le milieu poreux

0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 1111111111111111 1111111111111111 1111111111111111 1111111111111111 00000000000000 00000000000000 00000000000000 00000000000000 11111111111111 11111111111111 11111111111111 11111111111111 0000000000000000000000000000000000000000000000000 0000000000000000000000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111111111111111111111 1111111111111111111111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000000000000000000000 0000000000000000000000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111111111111111111111 1111111111111111111111111111111111111111111111111 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 1111111111111111 1111111111111111 1111111111111111 1111111111111111 1 2f 3 2 9 8 10 7 6 4 5 liquide évaporateur

I.4 Deux conceptions différentes 10 _Pcap Pconduites ∆ Pporeux ∆ 3 5 6 7 Température Pression

Courbe de saturation du fluide

2 9 4 8 2f 1 ∆

Figure I.16– Diagramme (P,T) d’une CPL

4.2 Loop Heat Pipe (LHP)

4.2.1 Fondements du concept

Etant confrontés aux mêmes problématiques thermiques pour leur applications spa-tiales, Gerasimov et al. [GMea75] publient pour la première fois en 1974 les résultats de leurs travaux portant sur une boucle diphasique à pompage capillaire. Le dispositif présenté est très proche d’une CPL déjà étudiée aux Etats-Unis depuis les années 60 : évaporation et pompage capillaire au sein d’une mèche poreuse située dans un évaporateur permettent d’assurer d’importants transferts de chaleur.

La différence réside dans la position du réservoir (cf. figure I.17). Aussi appelé chambre de compensation (CC), il est accolé à l’évaporateur dans le cas d’une LHP. Cette confi-guration particulière implique de forts couplages thermohydrauliques entre ces deux com-posants qui influencent considérablement le fonctionnement de la boucle.

4.2.2 Principe de fonctionnement

Dans l’optique de mettre en évidence ce qui diffère dans le fonctionnement d’une LHP par rapport à celui d’une CPL, on considère le diagramme (P,T) (cf. figure I.18) de ce dispositif (cf. figure I.17) en régime établi. On constate, dans un premier temps, que le cycle est quasi identique au précédent. La seule différence réside dans la position des points caractérisant le réservoir. En effet, le point 8 du diagramme précédent (cf. figure I.16) n’apparaît plus ici. Dans cette configuration, le réservoir est directement relié au

point 10, caractérisant le liquide saturé en entrée de l’évaporateur1.

Les deux diagrammes sont donc très similaires. La principale différence réside surtout dans la manière dont ils s’établissent. Dans le cas d’une CPL, c’est le contrôle de la température (et de la pression) du réservoir qui fixe ce cycle thermodynamique. Pour une LHP, en raison du couplage thermique qui existe entre l’évaporateur et la CC, la position du cycle ainsi que sa forme dans le diagramme (P,T) s’adapte automatiquement de manière à respecter les bilans globaux de conservation de la boucle. C’est à cause de ce phénomène qu’on parle de « capacité d’autorégulation » des LHP.

Comme il a été mentionné précédemment, une partie du flux de chaleur appliqué à l’évaporateur est transmise au réservoir : le flux de fuite. Dans le but de conserver l’équilibre, une autre source (ou un puit) de chaleur doit être appliquée à la CC. Cette dernière vient du sous-refroidissement, dont l’expression est donnée par l’équation (I.4), et des échanges avec le milieu ambiant.

˙Q_{sf = ˙mCpl(T10}− T₉) (I.4)

évaporateur

condenseur

Figure I.17– Schéma d’une LHP