1.2 Evaporateur à alimentation externe
1.2.3 Séparation des écoulements de sortie
La boucle hybride développée par ACT évoquée en 1.1.2.5 se base sur un concept d’évaporateur dans lequel une sortie de liquide est ajoutée à celui-ci. Celle-ci permet alors d’éviter la suralimentation en liquide de l’évaporateur lorsque le débit de vapori- sation (imposé par la source chaude) est inférieur au débit de liquide en entrée (imposé par la pompe). Ainsi l’évaporateur s’autorégule en prélevant uniquement le débit de li- quide nécessaire par pompage capillaire local. Dans les faits, la première mise en œuvre de ce concept est sensiblement plus ancienne : en 1995, Ambrose et al. [42] publient une étude sur le fonctionnement d’un évaporateur basé sur un caloduc à rainures dans lequel lesdites rainures sont directement alimentées en liquide par une pompe volumétrique (figure 1.14). Le surplus de liquide et la vapeur générés étant par la suite évacués via deux sorties dédiées.
Figure 1.14 – Représentation schématique de l’évaporateur rainuré étudié par Ambrose et al. [42]
Divers paramètres expérimentaux sont investigués, en particulier les auteurs montrent une dégradation des performances thermiques de l’évaporateur avec l’augmentation du flux de chaleur appliqué attribuée à un assèchement progressif des rainures. Par ailleurs, l’orientation de l’évaporateur ainsi que le ratio de débit entre débit d’alimentation et débit d’évaporation semblent avoir un impact limité sur le fonctionnement de l’évapo- rateur.
Étant donnée cette première preuve de concept, ce type d’évaporateur a par la suite été étudié expérimentalement de manière plus approfondie par différents auteurs. D’un coté, Crepinsek & Park [43] ont mené des études sur un évaporateur semblable à l’évaporateur de la boucle hybride présentée en 1.1.2.5, c’est à dire qu’un milieu poreux assure la séparation entre l’alimentation en liquide et la chambre vapeur. La configu- ration d’étude de l’évaporateur, représentée en fig 1.15, est néanmoins particulière. En effet, la vapeur produite par l’évaporateur est directement renvoyée au réservoir de la boucle pour y être condensée, celui-ci assure donc à la fois le rôle de chambre de com- pensation et de condenseur.
Dans ces conditions, les auteurs mettent en évidence l’existence de deux modes de fonctionnement principaux de l’évaporateur. A bas flux de chaleur, un écoulement de liquide est observé dans la sortie de vapeur ce qui indique une inondation partielle de l’évaporateur par du liquide traversant la mèche poreuse, induisant a priori un transfert
Figure 1.15 – Schéma de l’évaporateur à sorties séparées proposé par Crepinsek & Park [43] (gauche), boucle diphasique associée (droite)
de chaleur par ébullition dans la chambre vapeur. Passé un certain flux, la séparation des phases est néanmoins effective : la sortie de vapeur ne contient plus de liquide et la pression au niveau de la vapeur est bien supérieure à celle du liquide traduisant l’existence d’un pompage capillaire lié à l’interface liquide/vapeur maintenue dans le milieu poreux. L’influence du débit d’alimentation est par ailleurs étudiée. En particu- lier, les auteurs montrent que le flux de chaleur minimal nécessaire à la stabilisation de l’interface à l’évaporateur ainsi que le flux de chaleur maximal gérable par l’évapora- teur augmentent avec le débit liquide apporté à l’évaporateur. Enfin, du fait d’un flux de chaleur dit "de fuite" de la source chaude vers l’écoulement de liquide, un débit de liquide trop faible entraine l’apparition d’ébullition au niveau de l’écoulement liquide (en amont du poreux) ce qui perturbe sensiblement l’équilibre de l’évaporateur.
Plus récemment, une configuration bi-évaporateur a également été étudiée [44]. Une des conclusions principales de cette publication est la mise en évidence d’écarts de perfor- mance très importants entre les configurations série et parallèle des deux évaporateurs. En particulier, lorsque les deux évaporateurs sont montés en série, l’évaporateur aval étant alimenté en liquide à température proche de la température de saturation (du fait du flux de chaleur de fuite dans l’évaporateur amont) l’apparition d’ébullition dans celui-ci est bien plus difficile à éviter. Il apparait néanmoins que l’utilisation de cette alimentation hybride permet bien, dans certaines conditions, l’utilisation de plusieurs évaporateurs en série contrairement au cas d’évaporateurs à pompage purement capil- laire.
Jiang et al. proposent une architecture de boucle plus classique dans laquelle la vapeur produite par l’évaporateur est condensée avant d’être raccordée à la ligne li- quide [45] (figure 1.16). L’évaporateur, légèrement plus compact, a une architecture interne très similaire à celle présentée ci-dessus (c’est à dire un milieu poreux séparant l’écoulement liquide de la sortie vapeur). Similairement aux travaux exposés ci-dessus, deux modes de fonctionnement principaux (ébullition et évaporation au sein de la mèche poreuse) sont mis en évidence. Là aussi, les auteurs montrent l’apparition d’ébullition dans l’écoulement de liquide lorsque le débit apporté à l’évaporateur est réduit. Enfin, un phénomène d’hysteresis sur la température de paroi de l’évaporateur lorsque le flux appliqué est successivement augmenté et réduit est également mis en évidence mais la cause de celui-ci n’est pas discutée.
Figure 1.16 – Représentation schématique de l’évaporateur et de la boucle associée considérée par Jiang et al. [45]
L’impact du mode de remplissage sur le fonctionnement de la boucle [46] ainsi que la phase de démarrage de celle-ci [47] ont ainsi été investigués.
En pratique, à l’heure actuelle, la majeure partie des études semblent se concentrer sur la caractérisation de ce type d’évaporateur par voie expérimentale. Ainsi, seule une publication, très récente, vise à modéliser l’équilibre thermique et hydraulique de l’éva- porateur développé par Crepinsek et Park. Dans celle-ci [48], Lee et Park développent deux modèles couplés (thermique et hydraulique) de l’ensemble de la boucle diphasique associée à l’évaporateur en régime permanent. Pour cela, une approche nodale est utili- sée avec une discrétisation de la boucle en 9 nœuds. Les résultats du modèle, comparés à diverses mesures expérimentales montrent un bon accord modèle/expérience. En par- ticulier, la répartition de pression au sein du système calculée par ce modèle s’avère capable de prédire la transition entre ébullition et évaporation sur les quelques points de fonctionnement présentés.