Étude expérimentale, optimisation et régulation des transferts de chaleur lors du refroidissement d’une section d’outillage haute température par l’utilisation de multi-jets impactants

par Emmanuel Agyeman

Thèse de doctorat en Thermique

Sous la direction de Pierre Mousseau, Alain Sarda et de Denis Edelin.

Le président du jury était Michel Gradeck.

Le jury était composé de Eva Dorignac, Damien Lecointe.

Les rapporteurs étaient Nicolas Rimbert, Cédric Le Bot.


  • Résumé

    La mise en forme de certains matériaux composites nécessite des températures de cuisson élevées. Ces moules sont souvent refroidis par l‘écoulement d‘un fluide caloporteur dans des canaux cylindriques percés dans le moule. Dû aux températures de cuisson élevées, l‘eau, qui est le fluide caloporteur de préférence, change d‘état lorsqu‘elle entre en contact avec les canaux de refroidissement. Ce changement d‘état créé des poches de vapeur qui ralentissent le refroidissement en aval des canaux de refroidissement. Ceci mène à un refroidissement hétérogène du moule. De plus, l‘ébullition de l‘eau rend le contrôle de la vitesse de refroidissement des moules difficile en raison du changement du coefficient d‘échange au niveau des parois dû au changement des régimes d‘ébullition au fur et à mesure que la température de paroi baisse. Dans cette étude, un élément représentatif d‘une section de moule est refroidi par une approche qui consiste à impacter les surfaces des canaux de refroidissement par multi-jets d‘eau et un écoulement d‘air transverse. Les objectifs principaux de l‘étude sont de refroidir l‘élément de façon homogène et de contrôler sa vitesse de refroidissement. Par rapport à l‘approche classique d‘écoulement diphasique, la technique de refroidissement par multi-jets impactants et un écoulement d‘air transverse permet un refroidissement relativement homogène (± 2°C) sur toute la durée du refroidissement. En plus, on montre qu‘avec la commande prédictive, il est possible de contrôler la vitesse de refroidissement de l‘élément avec une précision de ± 5°C par rapport à la consigne imposée.

  • Titre traduit

    Experimental study of the homogeneous and automated cooling of a high temperature moulding tool segment by multiple jet impingement


  • Résumé

    The forming of some composite materials requires relatively high temperatures (up to 450 °C) in order to complete the forming process. As a result of these high temperatures, when the coolant (water) flows through the cooling channels of the moulds used to form the materials, it boils and changes phase immediately. This leads to a non-homogeneous distribution of the phases along the cooling channels with the liquid phase dominating at the entrances of the channels while the gaseous phase dominates at the channel exits. As a result of this phenomenon, there‘s a disparity in the heat flux along the cooling channel which in turn causes a heterogeneous temperature distribution along the mould. Heterogeneous cooling could negatively affect the quality of the part being formed. Additionally, the boiling process makes the control of the cooling speed difficult. This study explores the use of a cooling approach that involves the simultaneous use of multiple impinging water jets and a cross airflow in order to limit the heterogeneity of the phase distribution along the cooling channels and enable the control of the cooling speed by an intermittent impingement of the jets. A test bench representative of a mould‘s segment was able to be cooled in a homogenous manner (± 2°C) during the entire duration of the cooling process which isn‘t the case when cooling via the traditional boiling flow approach. Additionally, model predictive control was used to precisely control the cooling speed of the test segment (± 5°C of the imposed constraint). Cooling ramps ranging from 5 °C/min to 25 °C/min were tested.


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