Optimisation des réservoirs de stockage de fluides cryogéniques : étude théorique et expérimentale

Abstract

Ce travail théorique et expérimental a permis de mettre en évidence l'efficacité des procédés de transferts thermiques dans un cryostat à Azote liquide. Les modes de transfert prépondérants sont le rayonnement dans la cavité d'isolation, la conduction dans le col vers le bain liquide et la convection entre la paroi interne du col et les vapeurs froides issues du bain liquide. Les entrées de chaleur par rayonnement sont réduites par l'interposition d'écrans dont la position a été optimisée en fonction de la longueur du col et du nombre d'écrans. La conduction de chaleur par le col diminue avec la section et la longueur de celui-ci. Il en résulte une diminution de la surface latérale du col donc une réduction du rayonnement, entraîne une diminution de l'efficacité des écrans. Cependant la diminution de la longueur du col entraîne un accroissement du gradient longitudinal de température favorable à un accroissement de la conduction. De plus, l'efficacité du refroidissement de la paroi interne du col par la convection des vapeurs froides issues du bain liquide est réduite par la réduction de la longueur du col. Celle-ci induit donc deux tendances contradictoires qui se neutralisent pour une longueur optimum, avec ou sans écrans de rayonnement. Le renforcement de la convection pour un plus grand débit massique de vapeurs froides produites par une puissance de chauffe, connu sous le vocable d'effet Wexler, introduit un déplacement de la longueur optimale du col à partir d'un certain débit critique de vapeur. Ce travail a également mis en évidence la supériorité de l'hypothèse de contact thermique imparfait dans le calcul de la convection sur la paroi interne du col, relativement à l'hypothèse de contact thermique parfait.