Aspect théorique et technologique des systèmes de refroidissement industriels

Les dispositifs de refroidissement industriels, aussi bien pour les centrales nucléaires, les fours de fonderies, ou même les data centres, sont confrontés aux mêmes problématiques : l’augmentation de la densité thermique (W/m2 ) des éléments à refroidir et l’amélioration nécessaire de leur rendement. Ce qui serait en accord avec les normes environnementales, d’une part, et la réduction des coûts qui leur sont imputés, d’autre part. Un dispositif de refroidissement industriel comporte trois postes :
— Une source chaude : il s’agit de l’élément à refroidir ou le processus dont on veut contrôler la température
— Une source froide : souvent l’air ambiant est considéré comme la source froide ultime d’un dispositif de refroidissement, cette notion, restant relative. En général, il s’agit de l’endroit où est rejetée l’énergie thermique extraite de l’élément refroidi
— Un vecteur énergétique : la source chaude peut être liée à la source froide soit par le biais d’un fluide caloporteur “transport convectif”, soit par un milieu solide “transport conductif”, soit par le vide “transport radiatif”. Souvent les trois mécanismes de transfert thermique sont mis en jeu en série ou en parallèle. Le dispositif de refroidissement idéal est celui qui minimise la différence de température entre la source froide et la source chaude “∆TSC−SF ”. En effet, cette différence de température reflète la résistance à l’écoulement du flux de chaleur entre les deux sources, cette résistance étant due à l’empilement des éléments (solides ou fluides) de la chaine thermique entre la source chaude et froide. Il s’agit donc bien de la résistance thermique due au vecteur énergétique. Minimiser cette résistance et donc le saut de température source chaude-source froide, revient à optimiser les différents éléments constituant le vecteur énergétique.

Mécanismes de transfert thermique associés aux systèmes de refroidissement industriels 

Comme cité en introduction (Fig. I.1), le vecteur énergétique ou chaine thermique entre la source chaude et froide peut être constitué d’éléments d’états physiques différents (solide, liquide ou gaz), ce qui fait intervenir les trois principaux mécanismes de transfert thermique connus : conduction, convection (en incluant ébullition et condensation) et rayonnement. La conduction se fera principalement dans les éléments solides de la chaine thermique, tels que le métal des échangeurs, les dissipateurs thermiques, les interfaces thermiques pour la micro-électronique, etc. La convection se fera dans les éléments fluides tels que les liquides caloporteurs ou ceux à changement de phase et le rayonnement se fera entre deux surfaces avec une différence de température suffisante. Diminuer la résistance du vecteur d’énergie revient à agir sur les paramètres influençant les trois mécanismes de transfert thermique : conduction, convection et rayonnement.

Le transfert conductif

Il dépend énormément de la conductivité thermique du matériau utilisé en supposant que les dimensions géométriques de l’élément solide sont adéquates. Optimiser le transfert conductif revient donc à utiliser les matériaux les plus conducteurs possible avec certaines contraintes cependant : la résistance mécanique/thermique et le coût. Notre cas d’étude portant sur les serveurs informatiques, nous avons étudié les interfaces thermiques ou TIM (Thermal Interface Materials) utilisées en électronique. Une étude détaillée a été faite concernant les TIM de type molle, graisse et à changement de phase ; cependant nous avons décidé de ne pas l’inclure dans ce mémoire.

Le transfert convectif

Il s’agit du mécanisme de transfert thermique le plus efficace et donc le plus utilisé. La convection peut être également subdivisée en convection monophasique naturelle ou forcée, et en convection diphasique naturelle ou forcée. Les dispositifs de refroidissement industriels se basant sur la convection forcée d’un fluide diphasique jouissent des meilleures performances en termes de densité thermique .

Les échanges convectifs sont influencés par trois facteurs :
— la surface d’échange,
— le coefficient d’échange entre le fluide et la paroi (ou l’élément à refroidir),
— la nature du fluide utilisé quant à ses propriétés thermophysiques (conductivité thermique, masse volumique, viscosité dynamique, chaleur massique, chaleur latente, tension de surface et le point d’ébullition).

Le transfert radiatif

Ce mécanisme de transfert thermique est couramment utilisé dans les processus industriels de chauffage ou de cuisson, particulièrement les fours industriels. Cette partie n’est pas abordée dans cette thèse.

Minimiser la différence de température “source chaude/source froide”

L’intérêt de minimiser la résistance thermique au flux de chaleur (saut de température source chaude-source froide) est d’augmenter la densité thermique des sources chaudes et/ou la température de la source froide. En effet, si la source chaude (Fig. I.3) est à une température “TSC” et la source froide à “TSF ”, après minimisation de la résistance thermique (saut de température “TSC −TSF ”), la température de la source chaude passe de “TSC” à “TSC1”, le gain est de “TSC − TSC1”. Celui-ci peut être exploité de deux manières différentes.

Cas 1 : Augmenter la température de la source froide
La production de froid dans les infrastructures de refroidissement industrielles peut avoir un coût financier et environnemental important, de même qu’un impact significatif sur le rendement global de l’installation. Pouvoir limiter son utilisation serait d’un intérêt non négligeable. Donc plus la température de la source froide est haute, meilleurs sont le rendement, le coût et l’impact environnemental de l’installation. Concrètement, le gain “TSC −TSC1” permet d’augmenter la température de la source froide de “TSF ” à “TSF1” (ou “TSC1”), et donc de ramener la température de la source chaude à “TSC” (Fig. I.3), tout cela en conservant la densité de puissance de l’installation .

Cas 2 : Augmenter la densité thermique de la source chaude
La diminution de la différence de température entre la source froide et la source chaude peut servir à augmenter la densité thermique de la source chaude. Concrètement, la température de la source chaude passera de “TSC1” après optimisation à “TSC”(Fig. I.3) en augmentant au passage le flux de chaleur transmis à la source froide. Il est bien évident que rien n’empêche d’envisager une technique ou dispositif de refroidissement qui serait un compromis entre l’augmentation de la température de la source froide et l’augmentation de la densité thermique. Jusqu’à présent, nous avons vu l’intérêt de diminuer la différence de température entre la source froide et la source chaude des systèmes de refroidissement industriels. Minimiser cette différence de température passe par la minimisation de la résistance thermique au flux de chaleur causée par le vecteur énergétique. Nous avons également vu, que le transfert de chaleur conductif et radiatif est limité en terme de possibilité d’optimisation, ne permettant que de faibles gains. Nous avons donc axé notre travail sur l’amélioration et l’optimisation du transfert convectif dans les systèmes de refroidissement industriels.

Intensification des échanges convectifs

Améliorer le transfert convectif dans les dispositifs de chauffage ou de refroidissement industriels revient à intensifier l’échange thermique entre un fluide caloporteur et une surface chaude. Différentes approches existent dans la littérature:
— l’extension de la surface d’échange fluide-paroi
— l’augmentation du débit de circulation de telle sorte à se mettre dans un régime à haut coefficient de transfert convectif
— la perturbation de la couche limite thermique/hydrodynamique
— l’utilisation du fluide caloporteur offrant les propriétés thermophysiques les plus avantageuses (grande conductivité thermique, capacité massique ou chaleur latente).

Nous analyserons toutes ces approches, dont certaines ont fait l’objet d’études poussées et appliquées. L’inconvénient de certaines techniques d’intensification est l’augmentation des pertes hydrauliques dans le circuit de refroidissement notamment pour les techniques faisant intervenir des obstacles tels que les ailettes et les turbulateurs. Augmenter les pertes hydrauliques dans un circuit de refroidissement industriel peut être très préjudiciable, la taille du système de pompage pouvant augmenter rapidement. A titre indicatif, doubler le débit de circulation revient à multiplier par quatre la perte de charge et par huit la puissance de pompage.

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Table des matières

Introduction générale
I Aspect théorique et technologique des systèmes de refroidissement industriels
1 Introduction
2 Mécanismes de transfert thermique associés aux systèmes de refroidissement industriels
2.1 Le transfert conductif
2.2 Le transfert convectif
2.3 Le transfert radiatif
3 Minimiser la différence de température “source chaude/source froide”
3.1 Cas 1 : Augmenter la température de la source froide
3.2 Cas 2 : Augmenter la densité thermique de la source chaude
4 Intensification des échanges convectifs
4.1 Extension de la surface d’échange convectif
4.2 Augmentation du coefficient d’échange convectif
4.2.1 Amélioration du coefficient d’échange convectif en jouant sur la dynamique du fluide caloporteur
4.2.2 Amélioration du coefficient d’échange convectif en jouant sur l’aspect de la surface à refroidir
4.3 Choix du fluide caloporteur
4.3.1 Amélioration des propriétés liées au transfert de chaleur sensible : les nanofluides
4.3.1.1 Les nanofluides
4.3.1.2 Physique du transfert thermique dans les nanofluides
4.3.1.3 Critères de performance d’un nanofluide
4.3.1.4 Propriétés thermophysiques des nanofluides
4.3.1.4.1 Conductivité thermique
4.3.1.4.2 Masse volumique et chaleur massique
4.3.1.4.3 Viscosité dynamique
4.3.1.5 Nanofluides en convection
4.3.1.5.1 Convection forcée
4.3.1.5.2 Convection naturelle
4.3.1.6 Synthèse sur les nanofluides
4.3.2 Exploitation du transfert de chaleur diphasique : les caloducs
4.3.2.1 Historique, application et principe de fonctionnement
4.3.2.2 Phénomènes d’origine thermique
4.3.2.2.1 Conduction en milieu solide homogène
4.3.2.2.2 Conduction en milieu poreux ou assimilé poreux
4.3.2.2.3 Phénomène d’ébullition nucléée
4.3.2.3 Phénomènes d’origine fluidique
4.3.2.3.1 Pression capillaire
4.3.2.3.2 Phénomène de mouillage
4.3.2.3.3 Écoulement en milieux poreux ou assimilés : expression des pertes de charge dans la phase liquide
4.3.2.3.4 Écoulement de vapeur dans un canal : expression des pertes de charge dans la phase vapeur
4.3.2.4 Limites de fonctionnement d’un caloduc
4.3.2.4.1 Limite visqueuse
4.3.2.4.2 Limite sonique
4.3.2.4.3 Limite d’entrainement
4.3.2.4.4 Limite capillaire
4.3.2.4.5 Limite d’ébullition
5 Refroidissement des serveurs informatiques
5.1 Contrôle thermique au niveau du serveur
5.1.1 Contrôle thermique actif
5.1.1.1 Refroidissement actif direct
5.1.1.1.1 Diphasique
5.1.1.1.2 Monophasique
5.1.1.2 Refroidissement actif indirect
5.1.1.2.1 Diphasique
5.1.1.2.2 Monophasique
5.1.2 Contrôle thermique passif
5.1.2.1 Refroidissement passif direct
5.1.2.1.1 Diphasique
5.1.2.1.2 Monophasique
5.1.2.2 Refroidissement passif indirect
5.1.2.2.1 Diphasique
5.1.2.2.2 Monophasique
5.2 Contrôle thermique d’une armoire
5.3 Contrôle thermique du data centre
6 Synthèse du Chapitre I
II Intensification des échanges thermiques dans un dissipateur de chaleur « Plaque froide »
1 Introduction et but de l’étude
2 Sélection des géométries d’inserts
2.1 Détails de l’outil numérique utilisé
2.1.1 Équations de conservation
2.1.1.1 Conservation du débit
2.1.1.2 Conservation de la quantité de mouvement
2.1.1.3 Conservation de l’énergie
2.1.1.4 Traitement de la turbulence
2.1.1.5 Traitement de la turbulence près de la paroi
2.1.2 Sensibilité des résultats au maillage
2.1.3 Données d’entrée et conditions aux limites
2.2 Extension de la surface d’échange
2.3 Intensification du coefficient d’échange convectif
2.4 Aperçu des résultats obtenus
3 Sélection des nanofluides
4 Description du banc d’essai
5 Définition des paramètres de performance
5.1 Résistance thermique et coefficient d’échange global
5.2 Puissance de pompage
5.3 Facteur d’efficacité
6 Estimation des erreurs de mesure
7 Résultats et discussions
7.1 Étude comparative de performance entre les deux approches
7.2 Étude comparative de la performance des nanofluides en fonction de la température d’utilisation
7.3 Confrontation des résultats aux simulations numériques
8 Application
9 Synthèse du Chapitre II
III Développement d’un dissipateur de chaleur à caloducs cylindriques
1 Introduction et but de l’étude
2 Algorithme général de dimensionnement d’un caloduc
2.1 Définition d’un cahier des charges
2.2 Choix du matériau de l’enveloppe
2.3 Fluide de travail
2.4 Réseau capillaire
2.5 Limites de fonctionnement
2.6 Critère de choix
2.7 Calcul de la résistance du caloduc
2.8 Optimisations additionnelles
3 Partie théorique
3.1 Descriptif général du modèle
3.1.1 Sous-modèle thermique
3.1.1.1 Résistances thermiques de l’enveloppe
3.1.1.2 Résistances thermiques du réseau capillaire
3.1.1.3 Résistance thermique de la colonne de vapeur
3.1.1.4 Résistance thermique axiale de l’enveloppe “R9”
3.1.1.5 Résistance thermique axiale de réseau capillaire “R8”
3.1.1.6 Résistances thermiques du changement de phase liquide/vapeur “R3 et R5”
3.1.2 Sous-modèle hydraulique
3.1.2.1 Expression de la limite visqueuse
3.1.2.2 Expression de la limite sonique
3.1.2.3 Expression de la limite d’entrainement
3.1.2.4 Expression de la limite d’ébullition
3.1.2.5 Expression de la limite capillaire
3.2 Paramètres des sous modèles thermique/hydraulique
3.2.1 Modèles de conductivité thermique du réseau capillaire
3.2.1.1 Milieu poreux de poudre frittée
3.2.1.2 Rainure axiale rectangulaire
3.2.1.3 Rainure axiale trapézoïdale
3.2.2 Modèles de perméabilité hydraulique du réseau capillaire
3.2.2.1 Milieu poreux de poudre frittée
3.2.2.2 Rainure axiale rectangulaire
3.3 Étude paramétrique de la performance et des limites de fonctionnement
3.3.1 Caloduc à réseau poreux de poudre frittée
3.3.2 Caloduc à rainures rectangulaires axiales
3.4 Calcul d’optimum
3.4.1 Caloduc à réseau poreux de poudre frittée
3.4.2 Caloduc à rainures rectangulaires axiales
3.5 Impact de l’utilisation des nanofluides dans les caloducs
3.5.1 Adaptation du modèle
3.5.1.1 Modification de la masse volumique et de la chaleur massique
3.5.1.2 Modification de la viscosité dynamique
3.5.1.3 Modification de la conductivité thermique
3.5.2 Impact sur la performance
3.5.3 Impact sur les limites de fonctionnement
3.5.4 Impact sur le nombre de mérite
Conclusion générale

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