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

Lahcène Benkheira

Description

Sous la direction de Mohamed Souhar, Bertrand Baudouy
Thèse soutenue le 29 juin 2007: INPL
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
-Thermosiphon
-Coefficient de frottement
-Ecoulement diphasique
-Flux de chaleur critique
-Coefficient de transfert de chaleur
-He I
-Détecteur de particule
-Aimant supraconducteur
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
-Thermosiphon
-Critical heat flux
-Friction coefficient
-Superconducting magnet
-Particles detector
-He I
-Two phase flow
-Heat transfer coefficient
Source: http://www.theses.fr/2007INPL040N/document

Sujets

• Coefficient de frottement
• Coefficient de transfert thermique

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 106
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

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InstitutNationalPolytechniquedeLorraine

ÉcoleDoctoraleÉnergieMécaniqueMatériaux

DépartementdeFormationDoctorale:MécaniqueÉnergétique





THÈSE

Présentéeenvuedel’obtentiondugradede

Docteurdel’InstitutNationalPolytechniquedeLorraine

Spécialité:MécaniqueetÉnergétique



Par


LahcèneBENKHEIRA



Sujetdelathèse


CONTRIBUTIONÀL’ÉTUDEDESPROPRIÉTÉSTHERMIQUESET
HYDRODYNAMIQUESD’UNÉCOULEMENTD’HÉLIUMNORMAL(HeI)
DIPHASIQUEENCIRCULATIONNATURELLEPOURLEREFROIDISSEMENT
DESAIMANTSSUPRACONDUCTEURS



Soutenuepubliquementle29Juin2007

devantlejurycomposéde



Président: Pr.AlainDegiovanni,INPLNancy
Rapporteurs: Pr.MoniqueLallemand,INSALyon
Dr.BernardRousset,CEAGrenoble
Examinateur: Dr.Jean-LucDuchateau,CEACadarache
Directeurdethèse: Pr.MohamedSouhar,INPLNancy
Co-directeurdethèse: Dr.BertrandBaudouy,CEASaclay
Invités: M.DominicoCampi,CERNGenève
Dr.FrançoisKircher,CEASaclay


















































AVANTPROPOS
Cedocumentestlefruitdetroisannéesderecherche.Leproposdecesquelqueslignesestde
remercier les personnes qui par leur apport scientifique, technique et financier ont permis de
menercetteétudeàsonterme.

Les travaux de recherches se sont déroulés essentiellement au Commissariat à l’Énergie
AtomiqueàSaclaydansleLaboratoiredeCryogénieetdesStationsd’Essais(LCSE)duService
desAccélérateurs,deCryogénieetduMagnétisme(SACM)duDépartementd’Astrophysique,de
PhysiqueNucléaireetd’InstrumentationsAssociées(DAPNIA)delaDirectiondesSciencesdela
Matière(DSM).AcetitrejeremercievivementlechefduSACM,MonsieurAntoineDaël,etle
chefduLCSE,MonsieurPhilippeChesny,dem’avoiraccueillietd’avoirmisàmadisposition
touslesmoyens,humainsetmatériels,nécessairesàlaréalisationdecetravail.

Cette thèse a été cofinancée par le Centre Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN) à
GenèveetleCEAdanslecadredelaréalisationdel’aimantsupraconducteurdudétecteurde
particulesCMSpourlecollisionneurdeparticulesLHC.JetiensàremerciervivementMessieurs
Dominico Campi, Chef du groupe Aimant CMS, et Alain Hervé, Coordinateur technique de
CMS,pourl’intérêtqu’ilsontportéàcetravailetpourlaconfiancequ’ilsm’ontaccordéetoutau
longdecestroisannéesderecherche.

Je remercie sincèrement Dr. François Kircher, Chef du projet CMS au CEA, pour ses
encouragements,sesprécieuxconseilsetsonsoutienfinancierpourmeneràbiencetravail.Je
suis très sensible à l’honneur qu’il m’a fait enacceptant l’invitation à participer à mon jury de
thèse.

JeremerciechaleureusementDr.BertrandBaudouy,IngénieurChercheurauCEASaclay,pour
avoirdirigéetencadréauquotidiencetravailavecgrandeintelligence.Jeleremercievivementde
toutel'expériencequej'aipuacquérirentravaillantauprèsdeluietdem’avoirtransmissonsavoir
fairedansledomainedelacryogénieetsongoûtpourlarecherche.Jemedoisdesoulignersa
grande disponibilité et son écoute ainsi que ses qualités humaines indéniables. Bien qu’il soit
difficile d’exprimer ici toute ma gratitude, qu’il trouve en cette thèse le témoignage de ma
profondereconnaissance.

Je remercie mon directeur de thèse Monsieur le Professeur Mohamed Souhar du Laboratoire
d’Énergétique et de Mécanique Théorique et Appliquée (LEMTA) de l'Institut National
Polytechnique de Lorraine (INPL), pour avoir suscité en moi un intérêt pour les écoulements
diphasiquesdurantmaformationDEAàl’ENSEM,pouravoirdirigécetravailavecbeaucoup
d’attention, pour sa disponibilité malgré l’éloignement géographique et pour ses nombreux
conseilslorsdelarédactiondecettethèse.Jeluiensuistrèsreconnaissant.

JesuistrèshonoréparlaprésenceaujurydumonsieurAlainDegiovanni,Professeuràl’INPLde
Nancy,quiaacceptéd’enêtreleprésident,deMadameMoniqueLallemand,Professeuràl’INSA
deLyonetduDr.BernardRousset,IngénieurChercheurauCEAGrenoble,quiontassuréla
charge d’être rapporteur et du Dr. Jean-Luc Duchateau, Directeur de Recherches au CEA
Cadarache,quiabienvouluexaminercetravail.

JetiensàexprimermesvifsremerciementsauxDr.François-PaulJusteretDr.PhilippeBredy,
IngénieursChercheursauSACM,pourlesdiscussionsfructueusesquenousavonseuesetpourla
pertinencedeleursidéesfaceauxdiversesquestionsquesoulevaientmestravaux.Qu’ilstrouvent
icitoutemareconnaissance.

i AVANTPROPOS
JeremercieMessieursBertrandHervieuetChristopheMayri,IngénieursChercheursauSACM,
pourleurgentillesseetleursoutienconstantaucoursdecestroisannées.

Je tiens aussi à remercier Mme FrançoiseRondeaux et Messieurs, Philippe Fazillau, Jean-Marc
Gheller,LionelQuettier,Jean-MichelReyaveclesquelsj’aipassémathèsedansuneambiance
fortsympathiqueetdanslabonnehumeur.

L’accomplissementdecetravailn’auraitpasétépossiblesansl’aideprécieusedel’ensembledes
techniciensduLCSEnotammentMessieursFlorianPajet,MarcCazanauxetThierryDechambre,
qu’ilssoientremerciésvivementpourleurefficacitéetlaqualitédutravailaccompli.

J’adressemesremerciementsàl’ensembledespersonnesduSACMquideprèsoudeloinont
contribuéàl’achèvementdecetteétude.

Pour finir, je tiens à remercier du fond du cœur mes parents pour les encouragements et le
soutien qu'ils m'ont apportés durant la préparation de ma thèse et même avant. Merci d’avoir
respectémeschoixdecarrièreetd’avoircruenmoi.Mespenséesirontégalementàmessœurs,à
mesfrèresetàtoutelafamilleBenkheira.








ii TABLESDESMATIERES
IntroductionGénérale_______________________________________________________1

CHAPITREI

LEREFROIDISSEMENTDESAIMANTSSUPRACONDUCTEURS

I. Introduction ___________________________________________________________ 5
II. Lessupraconducteurs _________________________________________________ 6
II.1. Brefhistorique _____________________________________________________ 6
II.2. Rappelssurlasupraconductivité ______________________________________ 6
II.2.1. Grandeurscritiques ______________________________________________ 6
II.2.2. Propriétésmagnétiques-effetMeissner _______________________________ 7
II.2.3. Typesdesupraconducteurs_________________________________________ 8
II.2.3.1. LessupraconducteursdetypeI ___________________________________ 8
II.2.3.2. LessupraconducteursdetypeII ___________________________________ 8
II.2.4. Matériauxsupraconducteursd’aimantsd’accélérateurs ____________________ 9
II.2.4.1. LeNbTi _____________________________________________________ 9
II.2.4.2. LeNb Sn ___________________________________________________ 103
II.2.5. Câblesd’aimantssupraconducteursd’accélérateurs______________________ 10
II.2.5.1. CaractéristiquesducâbledetypeRutherford ________________________ 11
II.2.5.2. VariantesdecâblesdetypeRutherford_____________________________ 11
III. Refroidissementdesaimantssupraconducteursparhéliumliquide___________ 12
III.1. Héliumliquide,unfluidesingulier ___________________________________ 13
III.2. Diagrammedephasesdel’hélium ____________________________________ 14
III.3. Propriétésphysiques _______________________________________________ 15
III.3.1. Massevolumique _______________________________________________ 15
III.3.2. Entropie ______________________________________________________ 16
III.3.3. Chaleurspécifiqueàpressionconstante ______________________________ 16
III.3.4. Tensionsuperficielle_______________