Étude expérimentale des phénomènes dynamiques dans les thermosiphons diphasiques

Les thermosiphons diphasiques permettent le transfert efficace et passif de l’énergie thermique d’une source chaude à une source froide. Leur principe physique est basé sur la circulation naturelle induite par la gravité sans avoir recours à des moyens dits actifs (tels que des pompes). Ils peuvent fonctionner en circuit fermé selon les mécanismes de transfert de chaleur par évaporation et par condensation, avec l’avantage principal de bénéficier d’une valeur très élevée de la chaleur latente de changement de phase par rapport à la chaleur sensible.

 

Ils sont utilisés dans de nombreuses applications industrielles impliquant des échangeurs de chaleur. Dans le cadre des travaux sur les nouveaux réacteurs nucléaires, une attention particulière est accordée aux systèmes passifs destinés à assurer les fonctions de sûreté. Ils sont considérés comme une alternative crédible aux systèmes essentiellement actifs présents sur le parc actuel et futur d’EDF. Les systèmes actifs nécessitent un apport d’énergie externe (électrique ou mécanique) pour fonctionner, comme les pompes hydrauliques, les vannes de contrôle, etc. Les systèmes passifs, quant à eux, se définissent par leur fonctionnement basé sur un équilibre entre les forces motrices gravitaires et les forces de résistance du circuit (perte de charge dans les conduites ou les tubes par exemple). Ces systèmes ne nécessitent aucun apport d’énergie externe, sauf éventuellement dans la phase initiale pour activer, par exemple, une vanne d’ouverture.

 

Les phénomènes physiques associés aux systèmes passifs sont généralement induits par des potentiels variables dans le temps et d’intensité modérée, régis par des mécanismes complexes et multiples de transfert de chaleur (condensation, ébullition) qui peuvent conduire à des phénomènes mal maîtrisés tels que l’amorçage et les instabilités dynamiques du thermosiphon. Cette thèse a consisté en la conception, la construction, l’instrumentation et l’exploitation d’une nouvelle installation d’essai, nommée THEDI (THErmosiphon DIphasique). La campagne d’essais a permis d’analyser les nombreux phénomènes physiques qui se produisent dans un système diphasique

passif, tant à l’échelle locale qu’à l’échelle du système.

 

Ces différents aspects ont été étudiés pour une large gamme de conditions de fonctionnement : puissance de chauffe, pression, sous-refroidissement ou restriction de section. La base de données ainsi créée a permis de

comparer plusieurs modèles prédictifs du fonctionnement des thermosiphons diphasiques : prédiction du débit, de la fréquence ou de l’amplitude des oscillations, et cartes de stabilité. La plupart de ces modèles sont issus de la littérature, mais la comparaison a également été faite avec un modèle unidimensionnel développé au cours de la thèse.