Etude expérimentale et numérique des entrées de chaleur accidentelles dans les circuits cryogéniques des grands instruments

Experimental and numerical study of accidental heat inputs in cryogenic devices of large instruments

• Auteur / Autrice : Sulayman Shoala
• Direction : Frédéric Ayela, Jean-Marc Poncet, Eric Ercolani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique, procédés
• Date : Soutenance le 17/11/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département des systèmes basses températures (Grenoble ; 1957-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Tixador
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadia Caney
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Plourde, Bertrand Baudouy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesures de sûreté

Thermohydraulique

Basses températures

Mots clés libres

Entrée de chaleur

Hélium supercritique

Cryogénie

Thermohydraulique

Code système

Sûreté

Heat inputs

Supercritical Helium

Cryogenics

Thermal-Hydraulic

System code

Safety

Résumé

Plusieurs grands instruments scientifiques nécessitent une capacité de réfrigération capable d’atteindre de très basses températures, de l’ordre de 4 K. De l'hélium est alors refroidi par une installation cryogénique et est distribué aux différents éléments par l'intermédiaire de lignes cryogénique formant le système de cryo-distribution.Comme toutes installations cryogéniques, les systèmes de cryo-distribution doivent être protégés des surpressions accidentelles par la mise en place d’organes de sécurité de type soupape ou disque de rupture. La perte brutale du vide d’isolement est souvent considérée comme l’accident majeur. La condensation des gaz de l’air sur les parois froides consécutive à une perte du vide d'isolement conduit au dépôt d’un fort flux thermique dans le fluide cryogénique. La forte variation de la masse volumique de l’hélium qui s’en suit génère une surpression dans le système à protéger et un débit à évacuer qui peut être important. Ce débit est l'image des entrées de chaleur, données fondamentales pour le dimensionnement des organes de sécurité.Jusqu’à maintenant, le dimensionnement des organes de sécurité repose sur l’utilisation de valeurs standards de flux mesurées expérimentalement. Pour l’hélium supercritique, les mesures n’ont été réalisées que dans la configuration de réservoir, où la convection naturelle règne à l’intérieur de celui-ci. Néanmoins, afin d’assurer un dimensionnement correct des installations disposant de lignes cryogéniques, des mesures de flux doivent être aussi réalisées pour les cas de convection forcée.L’objectif de cette thèse est de mesurer le flux de chaleur reçu par un écoulement forcé d’hélium supercritique dans une tuyauterie soumise à une rupture du vide d’isolement.Pour cela, la plateforme expérimentale HELIOS a été modifiée afin d’y inclure une section d’essai dédiée à la réalisation de ce type d’essais. Des modélisations de l’installation ont été réalisées avec le code de thermo hydraulique CATHARE afin d’améliorer la compréhension des phénomènes de transfert de chaleur mis en œuvre. Deux campagnes expérimentales ont été conduites pour mesurer les flux de chaleur.

Several large scientific instruments require refrigeration capacity to reach very low temperatures, around 4 K. Helium is cooled by a cryogenic plant and distributed to the various elements by cryogenic lines forming the cryodistribution system.Like all cryogenic installations, cryodistribution systems have to be protected against accidental overpressure by installing pressure relief devices such as valves or rupture discs. Sudden loss of vacuum is often considered as the most serious accident. The condensation of air gases on the cold walls following the loss of the insulating vacuum leads to transfer high heat flux to the cryogenic fluid. The sudden change in helium density generates overpressure in the system, and a large mass flow has to be evacuated.Up to now, the design of safety devices was based on the use of experimentally measured standard heat flux values. For supercritical helium, measurements have only been carried out for the tank configuration with natural convection. Nevertheless, to ensure a reliable sizing of pressure relief devices for cryogenic facilities equipped with cryolines, measurements have also to be carried out for forced convection cases.The aim of this work is to perform experimental measurement of the heat flux received by supercritical helium flowing in tubes, following the loss of vacuum. For this purpose, the experimental platform HELIOS has been modified to include a test section and perform loss of vacuum test. The experimental set up has been modelled with the thermal hydraulic code CATHARE in order to improve the understanding of the het transfer phenomena involved. Two experimental campaigns have been carry out to the measure the heat flux.