Maître de Stage: Bertrand BAUDOUY Romain COZERET Développement d’un système de visualisation d’écoulement d’hélium normal diphasique en boucle thermosiphon Stage réalisé du 26 mars au 27 Août 2007, dans le Service des Accélérateurs, de Cryogénie et de Magnétisme du CEA de Saclay Maître de Stage: Bertrand BAUDOUY

Contexte technologique SACM : étude & réalisation des systèmes cryogéniques de CMS (Compact Muon Solenoïd) pour le LHC (Large Hadron Collider) au CERN à Genève Objectif : maintenir la température de l’aimant supraconducteur autour de 4,2 K Technologie retenue : refroidissement par une boucle d’hélium diphasique en circulation naturelle Nécessité de mieux connaître le comportement thermohydraulique de l’hélium dans cette configuration d’écoulement Développement d’un système de visualisation pour observer un tel écoulement 23/08/2007 Romain COZERET, Ecoulement diphasique d'hélium normal en boucle thermosiphon

Plan Partie 1 : Propriétés de l’hélium et régimes d’écoulements Partie 2 : Boucle thermosiphon et montage expérimental Partie 3 : Visualisation Partie 4 : Ebullition en film 23/08/2007 Romain COZERET, Ecoulement diphasique d'hélium normal en boucle thermosiphon

Propriétés de l’hélium et régimes d’écoulement Partie 1 Propriétés de l’hélium et régimes d’écoulement 23/08/2007 Romain COZERET, Ecoulement diphasique d'hélium normal en boucle thermosiphon

1.1- Propriétés thermodynamiques de l’hélium Faible valeur de l’énergie d’interaction moléculaire  Comportement proche d’un fluide idéal Faible chaleur latente de vaporisation Faible rapport des densités et faible viscosité Rapport des indices de réfraction très proche de 1 Propriétés très différentes des autres fluides à la fois d’un point de vue thermique, hydraulique et optique 23/08/2007 Romain COZERET, Ecoulement diphasique d'hélium normal en boucle thermosiphon

1.2- Régimes d’écoulement Régimes d’écoulements diphasiques pouvant être rencontrés en conduites verticales : Bulles Poches Poches disloquées Annulaire Gouttelettes dispersés 23/08/2007 Romain COZERET, Ecoulement diphasique d'hélium normal en boucle thermosiphon

Boucle thermosiphon et montage expérimental Partie 2 Boucle thermosiphon et montage expérimental 23/08/2007 Romain COZERET, Ecoulement diphasique d'hélium normal en boucle thermosiphon

2.1- Principe du thermosiphon Ecoulement généré par la différence de masses volumiques induite par le chauffage d’une partie de la boucle par l’aimant à refroidir. 23/08/2007 Romain COZERET, Ecoulement diphasique d'hélium normal en boucle thermosiphon

2.2- Dispositif expérimental Caméra Tube en verre 23/08/2007 Romain COZERET, Ecoulement diphasique d'hélium normal en boucle thermosiphon

Visualisation Partie 3 23/08/2007 Romain COZERET, Ecoulement diphasique d'hélium normal en boucle thermosiphon

3.1- Visualisation avec l’ancien dispositif (b) (c) (d) (e) Grandissement trop faible Mauvaise qualité de l’éclairage Images inexploitables pour étudier l’écoulement 23/08/2007 Romain COZERET, Ecoulement diphasique d'hélium normal en boucle thermosiphon

3.2- Principe de la visualisation ombroscopique Loi de Snell-Descartes 23/08/2007 Romain COZERET, Ecoulement diphasique d'hélium normal en boucle thermosiphon

3.3- Mise en place du dispositif Tube de visualisation Eclairage Backlight Caméra CCD 23/08/2007 Romain COZERET, Ecoulement diphasique d'hélium normal en boucle thermosiphon

3.4- Tests de visualisation « à chaud » Remplissage du tube avec de l’eau Injection d’un très faible flux d’hélium gazeux pour générer de petites bulles Réglages de la mise au point, de l’ouverture, de l’intensité de l’éclairage et de la vitesse d’obturation Résultats encourageants 23/08/2007 Romain COZERET, Ecoulement diphasique d'hélium normal en boucle thermosiphon

3.5- Visualisation « à froid » et carte d’écoulement Amélioration par rapport à l’ancien dispositif mais qualité encore insuffisante 23/08/2007 Romain COZERET, Ecoulement diphasique d'hélium normal en boucle thermosiphon

Ebullition en film Partie 4 23/08/2007 Romain COZERET, Ecoulement diphasique d'hélium normal en boucle thermosiphon

4.1- Ebullition en Film Crise d’ébullition : La paroi n’est plus mouillée par le liquide Ebullition en film qui dégrade le transfert thermique 23/08/2007 Romain COZERET, Ecoulement diphasique d'hélium normal en boucle thermosiphon

4.2- Evolution des coefficients d’échange 23/08/2007 Romain COZERET, Ecoulement diphasique d'hélium normal en boucle thermosiphon

4.3- Corrélations trouvées dans la littérature Bailey (1971) : Écoulements annulaires inversés Groeneveld (1973) : Écoulements dispersés 23/08/2007 Romain COZERET, Ecoulement diphasique d'hélium normal en boucle thermosiphon

4.4- Comparaison des résultats avec les corrélations 23/08/2007 Romain COZERET, Ecoulement diphasique d'hélium normal en boucle thermosiphon

Conclusion L’hélium est un fluide cryogénique qui présente des particularités. Visualisation difficile pour construire les cartes d’écoulement. La technique de l’ombroscopie semble adaptée mais le dispositif reste à améliorer Coefficient d’échange pouvant être estimés par des corrélations empiriques en régime d’ébullition en film 23/08/2007 Romain COZERET, Ecoulement diphasique d'hélium normal en boucle thermosiphon