Le fluide caloporteur : Pourquoi de l’eau ?

Solution retenue et démarche

Pourquoi les BFDPM ?

En effet elles constituent la technologie la plus performante en termes de capacité de transport de puissance thermique comme le montre la Figure I. 13. Elles sont capables d’évacuer à hauteur de 10 MW.m tout en ayant un encombrement volumique et massique faible. Dotées d’une architecture modulable, elles sont aisément implantées dans des espaces particulièrement encombrés. Malgré ces atouts, il est curieux de constater que la littérature scientifique les traite très peu, et ne les aborde que superficiellement. D’où le grand intérêt qu’elles suscitent auprès de l’ensemble des grands groupes partenaires impliqués dans le projet FUI dans lequel s’inscrit cette thèse (Kebdani et al. 2015) et (Turki et al. 2015).

Le fluide caloporteur : Pourquoi de l’eau ?

Divers fluides sont utilisés pour le refroidissement de l’électronique de puissance. Il existe plusieurs agents de refroidissement (à la fois diélectrique et non-diélectrique) disponibles dans le commerce. Cependant, la sélection du meilleur liquide de refroidissement pour une application particulière nécessite une bonne compréhension de toutes les caractéristiques et des propriétés thermo-physiques de ces fluides. Voici une liste de quelques raisons faisant de l’eau un bon refroidisseur :

♦ Bonnes propriétés thermo-physiques (conductivité thermique et chaleur spécifique élevées; faible viscosité; chaleur latente d’évaporation élevée pour les applications à deux phases).
♦ Température d’ébullition à la pression atmosphérique élevée (ou faible pression de vapeur à la température de fonctionnement) pour les systèmes monophasiques.
♦ Bonne stabilité chimique et thermique pour une longue durée de vie du système électronique.
♦ Point d’éclair et température d’auto-inflammation élevés (parfois la non – combustibilité est une exigence).
♦ Non corrosif pour les matériaux constituant les composants de la boucle.
♦ Contraintes réglementaires minimales (respectueux de l’environnement, non toxique, et éventuellement biodégradable).
♦ Economique .

Etant donné que le refroidissement étudié est indirect (l’électronique n’entre pas en contact avec le fluide), les caractéristiques du fluide deviennent un facteur important dans le choix du réfrigérant. Les bonnes caractéristiques thermiques ainsi que les avantages cités ci-dessus orientent vers le choix de l’eau comme fluide caloporteur.

La mise en place d’un modèle multi-physique capable de retranscrire le comportement dynamique d’une boucle fluide diphasique pompée est un travail dont l’accomplissement a dû passer par des étapes schématisées en Figure I. 14:

– Participation à la mise en place d’un banc expérimental et du choix d’un ensemble de capteurs de pressions, de températures et des débits. Le banc de test, représentatif de la boucle, est systématiquement sollicité en vue de valider les modèles numériques développés. Le chapitre II est réservé à la description de ce banc et de son instrumentation.
– Modélisation fine des cinq composants de la boucle indépendamment les uns des autres (évaporateur, condenseur, pressuriseur, pompe et conduites). La modélisation repose sur la méthode bond graph (Dauphin-Tanguy et al. 1999) et (Dauphin-Tanguy 2000). Les chapitres III, IV et V exposent le travail de modélisation dans son détail (état de l’art, hypothèses, phénomènes pris en compte, équation du modèle et validation).
– Chaque modèle dynamique de composant est validé seul à l’aide des résultats issus du banc d’essai. Pour ce faire, les résultats de la simulation sont confrontés aux relevés expérimentaux issus des capteurs implantés au niveau des endroits stratégiques de la boucle.
– Une fois les quatre modèles validés un par un, on procède à leur mise en connexion. Ceci permet d’aboutir à un modèle dynamique complet de l’ensemble de la boucle pompée.
– Enfin, la validation expérimentale de l’ensemble du modèle transitoire obtenu est l’objectif du dernier chapitre.

Pourquoi les bond graphs ?

Les systèmes thermo fluides industriels sont pluri technologiques. Leur fonctionnement fait appel de manière systématique à plusieurs domaines de la physique (mécanique, hydraulique, thermique, chimique, électrique …). De plus, les divers domaines impliqués sont associés à un nombre de phénomènes (convection, conduction, diffusion, compressibilité, inertie …) susceptibles de rentrer en interaction entre eux favorisant ainsi le développement d’un comportement fortement non linéaire. Cette complexité phénoménologique rend difficile, parfois impossible, le développement d’un modèle classique, basé sur des équations aux dérivées partielles, permettant de remonter au comportement dynamique du système. L’approche bond graph est une approche appropriée aux besoins industriels évolutifs. Henry Paynter (1923-2002) affirme que « l’énergie est un (pour ne pas dire « le ») concept essentiel dans la description de l’évolution des systèmes technologiques. On le retrouve dans tous les domaines : il constitue le lien entre ceux-ci ». Ceci le conduit en 1961 à introduire le concept énergétique de « bond graph ». Ce concept est fondé sur le principe de la conservation de l’énergie. Il permet de représenter graphiquement les transferts de puissance entre composants d’un système complexe. Constitué d’éléments passifs qui reçoivent de la puissance et la transforment en énergie dissipée (effet Joule par exemple) ou stockée, de sources actives qui modélisent l’apport de puissance et d’éléments de jonction qui transfèrent cette puissance entre composants, un modèle bond graph est une représentation graphique unifiée pour tous les domaines des sciences de l’ingénieur car basée sur le principe d’analogie entre les différents domaines de la physique. Un modèle bond graph est un modèle dynamique, physique (les lois de conservation de la matière, de l’énergie, des quantités de mouvement y apparaissent explicitement) et causal qui permet de faire de la simulation mais aussi de l’analyse des propriétés du modèle. (DauphinTanguy et al, 1999).

Le bond graph permet une modélisation adaptée aux besoins technologiques évolutifs. En effet le modèle peut être modifié par ajout ou suppression d’éléments, ce qui permet une approche de modélisation de type « bottom-up » ou « top-down ».
Concrètement, s’il faut, par exemple, modéliser des phénomènes de type dissipatif : transfert thermique, perte thermique, ou résistance hydraulique (perte de charge) il suffit alors d’incorporer un élément dissipatif R. Des phénomènes tels que le stockage de masse ou d’énergie, la compressibilité ou la capacité thermique des parois sont pris en compte par simple ajout de l’élément capacitif C. Enfin la dynamique des fluides peut amener le concepteur à s’intéresser à l’inertie du fluide (c’est d’ailleurs notre cas), ceci est pris en charge par l’élément I. Le comportement dynamique d’une boucle fluide diphasique à pompage mécanique est susceptible de connaitre des modifications durant la vie de l’installation, ce qui peut être dû à plusieurs facteurs tels que le vieillissement de celle-ci, l’altération des échanges par conduction dans les conduites ou au niveau des échangeurs (encrassements)… Ces phénomènes déjà observés en pratique nécessitent un modèle doté d’une grande flexibilité et d’adaptation, le bond graph répond bien à ces besoins.

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre I. Contexte de l’étude et objectifs de la thèse
I.1 Contexte général de l’étude
I.1.1 Problématique
I.1.2 Nécessité d’une gestion thermique
I.2 Principaux systèmes de refroidissement
I.2.1 Classification des systèmes d’évacuation de chaleur
I.2.2 Exemples de principaux systèmes de refroidissement
I.3 Solution retenue et démarche
I.3.1 Pourquoi les BFDPM ?
I.3.2 Le fluide caloporteur : Pourquoi de l’eau ?
I.3.3 Pourquoi les bond graphs ?
Conclusion
Chapitre II. Description du banc d’essai et de son instrumentation
II.1 Présentation du dispositif expérimental.
II.1.1 Vue globale du dispositif expérimental
II.1.2 Le pressuriseur
II.1.3 L’évaporateur et le dispositif de réchauffage
II.1.4 Le condenseur
II.1.5 La pompe et les conduites
II.2 Gestion du banc expérimental et son instrumentation en capteurs
II.2.1 Cinq conditions limites imposées à la boucle
II.2.2 Deux types de « contrôle commande » pour gérer le banc
II.2.3 Spécifications du banc d’essai
II.2.4 Capteurs
II.2.5 Pilotage du banc d’essai et enregistrement des mesures
Conclusion
Chapitre III. Pressuriseur
III.1 Principales fonctions d’un pressuriseur
III.1.1 Rôle d’un pressuriseur
III.1.2 Interface d’évaporation
III.1.3 Problématique des gaz non condensables (GNC)
III.1.4 Quel volume pour le pressuriseur ?
III.2 Etat de l’Art sur la modélisation d’un pressuriseur et contributions
III.3 Description du modèle dynamique de pressuriseur
III.3.1 Hypothèses
III.3.2 Choix des variables et corrélations des propriétés thermo physiques
III.3.3 Description physique des phénomènes modélisés
III.3.4 Modélisation par BG
III.4 Validation expérimentale du modèle thermo hydraulique
Conclusion
Chapitre IV. Modèle dynamique du condenseur à plaques brasées (CPB)
IV.1 Cadre de l’étude et état de l’art
IV.1.1 Introduction générale aux CPB
IV.1.2 Etats de l’art
IV.2 Description du modèle dynamique du condenseur à plaques brasées CPB
IV.2.1 Hypothèses
IV.2.2 Principe de discrétisation volumique
IV.2.3 Description succincte de la structure générale du modèle bond graph
IV.2.4 Description mathématique du modèle bond graph dynamique du CPB
IV.3 Validation expérimentale du modèle dynamique du CPB
Conclusion
Chapitre V. Evaporateur à mini-canaux (EMC)
V.1 Etat de l’art des évaporateurs à mini canaux
V.1.1 Généralités et notions physiques
V.1.2 Etat de l’art sur la modélisation des EMC
V.1.3 Etat de l’art sur les configurations d’écoulement, transferts thermiques et pertes de pression dans les EMC
V.2 Description du modèle dynamique de l’EMC
V.2.1 Hypothèses
V.2.2 Contributions scientifiques
V.2.3 Présentation de l’EMC et de la démarche de son étude théorique.
V.2.4 Formalisme mathématique du modèle dynamique de l’EMC
V.3 Validation expérimentale du modèle thermo hydraulique transitoire de l’EMC
Conclusion
Conclusion générale

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