Volants thermiques cryogéniques liquide vapeur pour applications spatiales

Towards Cryogenic Liquid –Vapor Energy Storage Units for space applications

• Auteur / Autrice : Josiana Prado Afonso
• Direction : Grégoire Bonfait, Bernard Rousset
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie mécanique
• Date : Soutenance le 07/06/2013
• Etablissement(s) : Grenoble en cotutelle avec Universidade nova de Lisboa
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : CEA Grenoble
• Jury : Président / Présidente : Jorge Pamies teixeira
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jose Rebordao, Ivan Charles
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Antonio Amorim, Marcel Ter brake

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cryotechnique

Mots clés libres

Cryogenie

Application spatiale

Temperature

Unidades de armazenamento de energia

Azoto

Hélio

Transferência de calor

Meio poroso

Capilaridade

Cryogenics

Spatial application

Temperature

Résumé

Avec le développement des réfrigérateurs cryogéniques mécaniques et des capteurs de plus en plus sensibles, l’emploi d’un volant thermique (Energy Storage Unit ou ESU) doit permettre de stopper temporairement le cryoréfrigérateur et de fonctionner en l’absence de vibration. L'utilisation d'un ESU limite également la nécessité de surdimensionner le système cryogénique pour absorber les éventuelles surcharges thermiques transitoires; ce qui est particulièrement utile pour les applications spatiales. Dans tous les cas, la dérive en température doit rester limitée pour garantir la bonne performance du détecteur. Dans cette thèse, des ESUs basés sur la chaleur latente associée au changement de phase liquide-vapeur ont été étudiés. Afin de limiter la dérive en température, tout en maintenant un volume réduit pour la cellule à basse température, une solution possible consiste à séparer l'ESU en deux volumes: une cellule à basse température reliée au doigt froid du cryoréfrigérateur à travers un interrupteur thermique et un volume d'expansion à la température ambiante permettant de réduire l’augmentation de température liée à l'évaporation du liquide. Pour diminuer encore la dérive en température, une nouvelle amélioration a été testée avec de l'azote: elle consiste en la mise en place d'une vanne commandée entre les deux volumes permettant de contrôler la pression de la cellule froide (remplie d’azote liquide-vapeur). De plus, un matériau poreux a été introduit à l'intérieur de la cellule pour rendre l'ESU indépendant de la gravité et donc approprié aux applications spatiales. Dans ce cas, les expériences révèlent des résultats inattendus concernant le stockage d'énergie et la différence de température entre le liquide et les parois. Pour caractériser l'influence des milieux poreux sur les transferts thermiques d’un volant thermique liquide-vapeur chauffé, une cellule dédiée avec des parois latérales non conductrices a été construite et testée avec de l'hélium diphasique liquide-vapeur. Après caractérisation complète de cette cellule en dehors des conditions de saturation (conduction, convection), des expériences ont été effectuées avec ou sans milieu poreux, en chauffant la cellule en haut ou en bas de la cellule et pour différents flux de chaleur et températures de saturation. En parallèle, un modèle décrivant la réponse thermique d'une cellule contenant liquide et vapeur avec un milieu poreux chauffée en haut (contre la gravité) a été mis en œuvre. L'ensemble des données a ensuite été utilisé comme référence pour ce modèle qui repose sur un équilibre de trois forces: la force de capillarité, la force de gravité et la perte de pression induite par l'écoulement du liquide.

O desenvolvimento de criorrefrigeradores e de sensores cada vez mais sensíveis, tornainteressante usar unidades de armazenamento de energia (Energy Storage Unit-ESU) e desligaro criorrefrigerador para funcionar num ambiente sem vibrações. Em particular para asaplicações espaciais, seria também útil, utilizar um ESU para evitar sistemas criogénicossobredimensionados para atenuar as flutuações de temperaturas devidas às variações de cargatérmica. Em ambos os casos, a deriva de temperatura deve manter-se limitada para manter obom desempenho dos detectores.Nesta tese, ESUs utilizando o calor latente associado à mudança líquido-vapor comoreservatório de energia foram estudados. A fim de limitar a deriva de temperatura, enquanto semantém de tamanho reduzido a célula a baixa temperatura, uma solução possível consiste emdividir o ESU em dois volumes: uma célula a baixa temperatura acoplada ao dedo frio docriorrefrigerador mediante um interruptor térmico conectado a um volume de expansão àtemperatura ambiente para reduzir o aumento de temperatura que ocorre durante a evaporaçãodo líquido. Para diminuir ainda mais a deriva de temperatura, foi testado uma nova ideia queconsiste na introdução de uma válvula entre os dois volumes a fim de controlar a pressão nacélula. Para tornar o ESU independente da gravidade e assim adaptado às aplicações espaciais,os efeitos da capilaridade foram utilizados usando um material poroso na célula. Neste caso, asexperiências revelam resultados inesperados referentes ao armazenamento de energia e àdiferença de temperatura entre o líquido e as paredes.Para descrever as modificações térmicas devidas ao meio poroso, uma célula comparedes laterais pouco condutoras foi construída e testada com hélio. Após uma caracterizaçãocompleta fora das condições de saturação (condução, convecção), esta célula foi utilizada paraexperiências com e sem meio poroso, aquecida na parte superior ou na parte inferior comdiferentes fluxos de calor e para várias temperaturas de saturação. Em paralelo, um modelo quedescreve a resposta térmica de uma célula contendo líquido e gás num meio poroso aquecido naparte superior (“contra a gravidade”) foi desenvolvido. Os resultados obtidos foram utilizadoscomo referência ao modelo que se baseia no equilíbrio de três forças: a força de capilaridade, aforça da gravidade e perda de carga induzida pelo escoamento do líquido.

With the development of mechanical coolers and very sensible cryogenic sensors, it could be interesting to use Energy Storage Units (ESU) and turn off the cryocooler to operate in a free micro vibration environment. An ESU would also avoid cryogenic systems oversized to attenuate temperature fluctuations due to thermal load variations which is useful particularly for space applications. In both cases, the temperature drift must remain limited to keep good detector performances. In this thesis, ESUs based on the high latent heat associated to liquid-vapor phase change to store energy have been studied. To limit temperature drifts while keeping small size cell at low temperature, a potential solution consists in splitting the ESU in two volumes: a low temperature cell coupled to a cryocooler cold finger through a thermal heat switch and an expansion volume at room temperature to reduce the temperature increase occurring during liquid evaporation. To obtain a vanishing temperature drift, a new improvement has been tested using two-phase nitrogen: a controlled valve was inserted between the two volumes in order to control the cold cell pressure. In addition, a porous material was used inside the cell to turn the ESU gravity independent and suitable for space applications. In this case, experiments reveal not fully understood results concerning both energy storage and liquid-wall temperature difference. To capture the thermal influence of the porous media, a dedicated cell with poorly conductive lateral wall was built and operated with two-phase helium. After its characterization outside the saturation conditions (conduction, convection), experiments were performed, with and without porous media, heating at the top or the bottom of the cell with various heat fluxes and for different saturation temperatures. In parallel, a model describing the thermal response for a cell containing liquid and vapor with a porous media heated at the top (“against gravity”) was developed. The experimental data were then used as a benchmark for this model based on a balance of three forces: capillarity force, gravity force and pressure drop induced by the liquid flow.