Étude du mécanisme de dégradation du méthanol au contact du nickel dans le cadre d'une boucle fluide diphasique à pompage capillaire

par Jean-Christophe Renault

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Vincent Platel et de Sabine Sochard.


  • Résumé

    Dans le domaine ferroviaire les contraintes pesant sur les systèmes de traction électrique sont telles que cela constitue une branche à part de l’électronique, appelée « électronique de puissance ». La nécessité du refroidissement est exacerbée par la présence de très fortes puissances électriques circulant dans ces systèmes. Une adaptation au domaine ferroviaire des boucles fluides diphasiques à pompage capillaire, initialement conçues pour des applications spatiales, pourrait constituer une réponse avantageuse à ce besoin de refroidissement. Ce sont des moyens de transfert thermique passifs, modulaires, très performants et très fiables. La vaporisation du fluide caloporteur se fait dans une mèche poreuse, engendrant une différence de pression entre la vapeur et le liquide, permettant la mise en mouvement du fluide dans tout le système. Elles fonctionnent donc sans pompe ni aucun organe mécanique de mise en mouvement du fluide.Des adaptations ont été effectuées par ALSTOM et EHP (Euro Heat Pipe) sur ces boucles conduisant à un prototype appelé « Capillary Pumped Loop for Integrated Power » (CPLIP). Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est d’étudier la compatibilité chimique du fluide diphasique utilisé dans la CPLIP, le méthanol, avec le matériau de la mèche poreuse de la CPLIP, du nickel fritté. Cette compatibilité sera notamment étudiée aux températures de fonctionnement qui pourraient être plus élevées qu’elles ne le sont actuellement avec l’utilisation du carbure de silicium dans l’électronique de puissance. Deux bancs d’essai ont été développés spécifiquement pour l’étude du vieillissement d’un fluide au contact d’un solide catalytique. Le premier est un réacteur batch permettant de déterminer la cinétique de réaction. Un second banc d’essais a été conçu dans le but de se rapprocher des conditions de fonctionnement des boucles fluides diphasiques. Du fait des contraintes liées à l’étude de la réaction par analyse des composés chimiques, il n’était pas possible de faire circuler le fluide par pompage capillaire. C’est donc une boucle fluide diphasique gravitaire qui a été mise au point. Le fonctionnement de ce procédé étant loin d’être trivial, une partie de ce travail est consacrée à décrire le comportement thermique de ce procédé, à l’aide de résultats expérimentaux ainsi que d’un modèle numérique simple. Les analyses sur ces deux bancs de test ont été faites à l’aide d’un micro-chromatographe en phase gazeuse. Des essais de caractérisation de la surface, au travers d’analyses de microscopie à balayage électronique, de spectrophotométrie à rayon X et des analyses BET ont permis d’avoir une idée plus précise de la surface du nickel fritté. Ces analyses ont également été effectuées après réaction, de manière à obtenir plus d’informations sur l’évolution de l’état de surface au cours de la réaction. Différents essais ont ensuite été effectués pour différentes températures et différentes granulométries qui nous ont permis de proposer un mécanisme de la dégradation du méthanol au contact du matériau constituant la mèche poreuse. Enfin, des premiers tests ont été effectués sur la boucle fluide diphasique de manière à étudier la dégradation du méthanol dans des conditions proches de celles qui seront rencontrées dans les boucles industrielles.

  • Titre traduit

    STUDY OF THE METHANOL DEGRADATION IN THE CONTEXT OF A TWO-PHASE FLUID CAPILLARY PUMPED LOOP


  • Résumé

    In the railway field the constraints on electric traction systems are such that these systems constitute a separate branch of electronics, called "power electronics". Furthermore, the needs for cooling these systems are increased by the presence of very high electrical currents flowing in these systems. An adaptation to the railway field of two-phase fluid capillary pumped loops, initially designed for space applications, could be an advantageous response to this cooling need. The capillary pumped loops are passive and modular heat transfer devices, characterized by their highly efficient and highly reliable behavior. The vaporization of the heat transfer fluid takes place in a porous wick, generating a pressure difference between the vapor and the liquid phase, allowing the setting in motion of the fluid throughout the system. They therefore operate without pump or any mechanical element to set the fluid in motion. Adaptations have been made by ALSTOM and EHP (Euro Heat Pipe) on these loops, leading to a prototype called "Capillary Pumped Loop for Integrated Power" (CPLIP). The goal of this PhD, in this context, is to study the chemical compatibility of methanol, which is the fluid used in the CPLIP, with the material of the CPLIP wick based on sintered nickel. Their compatibility will be mainly studied for temperatures higher than those currently encountered in the loop, to take into account the increase of operating temperature due to the development of silicon carbide in power electronics.Two test benches have been developed specifically for the study of the aging of a couple fluid/catalytic solid in contact. The first one is a batch reactor used to determine the reaction kinetics. A second test bench has been designed with the aim to partially reproduce the operating conditions of the CPLIP. Because of the constraints related to the study of the reaction including analysis of the chemical compounds, it was not possible to generate capillary pumping to the setting in motion of the fluid. A gravitational two-phase fluid loop has therefore been developed. Since the use of this process is quite complex, a part of this work is devoted to describe its thermal behavior, using experimental results as well as a simple numerical model. On these two test benches, a gas chromatograph was used to perform chemical analyzes. Surface characterization tests, using scanning electron microscopy, X-ray spectrophotometry and BET analyzes, provided a more accurate knowledge of the surface area of the sintered nickel. Analyzes were also carried out after reaction, in order to obtain more information on the evolution of the surface state during the reaction. Various tests were then carried out for different temperatures and particle sizes which allowed us to offer a degradation mechanism of methanol in contact with the nickel of the porous wick. Finally, first tests were carried out on the gravitational two-phase fluid loop in order to study the degradation of methanol under conditions representative to those encountered in industrial loops


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