Contribution à l'étude des propriétés thermiques et hydrodynamiques d'un écoulement d'hélium normal (5HeI) diphasique en circulation naturelle pour le refroidissement des aimants supraconducteurs

par Lahcène Benkheira

Thèse de doctorat en Mécanique et énergétique

Sous la direction de Mohamed Souhar et de Bertrand Baudouy.

Soutenue le 29-06-2007

à Vandoeuvre-les-Nancy, INPL , dans le cadre de EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux , en partenariat avec Laboratoire d'énergétique et de mécanique théorique et appliquée (Nancy) (laboratoire) .

Le président du jury était Alain Degiovanni.

Le jury était composé de Mohamed Souhar, Bertrand Baudouy, Alain Degiovanni, Monique Lallemand, Bernard Rousset, Jean-Luc Duchateau.

Les rapporteurs étaient Monique Lallemand, Bernard Rousset.


  • Résumé

    La méthode de refroidissement basée sur le principe thermosiphon présente un grand intérêt en raison de sa simplicité, de sa nature passive et de son coût faible. Elle est adoptée pour le refroidissement à 4,5 K de l’aimant supraconducteur du détecteur de particules CMS auprès du LHC en construction au CERN à Genève. Le travail présenté dans cette thèse étudie expérimentalement les propriétés thermiques et hydrodynamiques d’un écoulement d’He I diphasique en circulation naturelle. Le dispositif expérimental utilisé consiste en une boucle thermosiphon monobranche composée principalement d’un séparateur de phases, d’un tube descendant et d’une section d’essai. Les expériences ont été réalisées en faisant varier plusieurs paramètres tels que le diamètre des sections d’essai (10 mm ou 14 mm) et le flux de chaleur allant jusqu’à l’apparition de la crise d’ébullition. Ces expériences ont permis de déterminer les lois d’évolution des différentes grandeurs caractérisant l’écoulement (le débit massique de circulation, le débit massique vapeur, le titre massique, le coefficient de friction et le coefficient d’échange thermique) en fonction de la densité du flux de chaleur appliquée. Au regard des résultats obtenus, nous discutons la validité des différents modèles classiques existants dans la littérature. Nous montrons que le modèle homogène est le modèle le mieux adapté pour prédire les propriétés hydrodynamiques de ce type d’écoulement dans la gamme de titre massique 0?x?30%. De plus, nous proposons deux modèles pour la prédiction du coefficient de transfert de chaleur diphasique et la densité de flux de chaleur critique. Le premier considère que les effets de la convection forcée et de l’ébullition nucléée agissent simultanément et contribuent au transfert de chaleur. Le deuxième corrèle la densité de flux de chaleur critique mesurée en fonction du rapport altitude sur diamètre

  • Titre traduit

    Contribution to the study of thermal and hydrodynamical properties of HeI two phase natural circulation flow for cooling superconducting magnets


  • Résumé

    The method of cooling based on the thermosiphon principle is of great interest because of its simplicity, its passivity and its low cost. It is adopted to cool down to 4,5 K the superconducting magnet of the CMS particles detector of the Large Hadron Collider (LHC) experiment under construction at CERN, Geneva. This work studies heat and mass transfer characteristics of two phase He I in a natural circulation loop. The experimental set-up consists of a thermosiphon single branch loop mainly composed of a phase separator, a downward tube, and a test section. The experiments were conducted with varying several parameters such as the diameter of the test section (10 mm or 14 mm) and the applied heat flux up to the appearance of the boiling crisis. These experiments have permitted to determine the laws of evolution of the various parameters characterizing the flow (circulation mass flow rate, vapour mass flow rate, vapour quality, friction coefficient, two phase heat transfer coefficient and the critical heat flux) as a function of the applied heat flux. On the base of the obtained results, we discuss the validity of the various existing models in the literature. We show that the homogeneous model is the best model to predict the hydrodynamical properties of this type of flow in the vapour quality range 0?x?30%. Moreover, we propose two models for the prediction of the two phase heat transfer coefficient and the density of the critical heat flux. The first one considers that the effects of the forced convection and nucleate boiling act simultaneously and contribute to heat transfer. The second one correlates the measured critical heat flux density with the ratio altitude to diameter


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