Simulation des fuites thermiques d'un système cryogénique
Le client et son contexte
Fournisseur français de produits et services cryogéniques au rayonnement international, notre client souhaite optimiser l’isolation thermique à l’intérieur d’un système cryogénique complexe. Cette optimisation a pour but de diminuer le coût du système et de faciliter les opérations de maintenance.
L’objectif est donc de déterminer les zones critiques qui participent de manière prépondérante aux fuites thermiques et de quantifier l’impact de la pose d’un isolant sur certains éléments.
Le besoin final du client s’inscrit dans une démarche de développement d’un nouveau produit avec une durée longue (> 1 an).
Influtherm a permis de fournir des résultats avec des délais de l’ordre du mois.
Thématiques
- Simulation thermique
- Projet industriel
- Cryogénie
- Optimisation de système
- Efficacité énergétique
- Rayonnement thermique
Déterminer le niveau de fuites thermiques en fonction de l'emplacement de couvertures isolantes à l'intérieur du système
Pour déterminer le niveau de fuites thermiques en fonction de l'emplacement de couvertures isolantes à l'intérieur du système, nous réalisons des simulations. L'intérieur du système cryogénique étant sous vide, la conduction et le rayonnement de surfaces à surfaces des différents éléments du système sont simulées à l'aide du logiciel de calcul Comsol Multiphysics. Dans un premier temps, une CAO sans isolant est récupérée puis retravaillée pour être exploitée par le logiciel de calcul.
Source photographique : https://www.mtm-inc.com/multi-layer-insulation.html
Des simulations selon différents scénarios
Nous avons réalisé une première simulation, sans isolant, pour déterminer les fuites thermiques dans ces conditions et les zones les plus critiques à isoler. À partir des premiers résultats, d'autres simulations ont été réalisées selon différents scénarios avec des paramètres variables tels que la localisation des isolants et leurs épaisseurs et les propriétés thermiques des matériaux. Les simulations ont également été alimentées par de la recherche bibliographique scientifique et des mesures de propriétés réalisées en interne.
L'importance d'identifier l'épaisseur d'isolant optimale
La pose d'un isolant sur tous les éléments du système permet de limiter les fuites thermiques. Néanmoins, se pose la question de l'épaisseur d'isolant : plus il est épais, plus l'isolation est performante, mais plus cela coûte cher. Nous avons donc recherché une épaisseur optimum en fonction du temps de retour sur investissement. De plus, le système étant volumineux (400m^3) et les différents éléments à l'intérieur très compacts, l'ajout de couvertures isolantes sur ces éléments complexifie les opérations de maintenance. En effet, lors d'une opération de maintenance, il est nécessaire de retirer ces isolants puis de les replacer lorsque la maintenance est terminée. Déterminer les endroits qu'il faut impérativement isoler pour limiter les fuites thermiques permet donc de limiter l'utilisation d'isolants et donc de gagner plusieurs jours sur le temps de maintenance. Il y a donc aussi un optimum à rechercher entre le gain thermique, le coût de mise en place de l'isolant et le coût de la maintenance.
Maîtriser les aléas de témpérature du système en projet
Gérer les fuites thermiques d’un système, qu’il soit cryogénique ou non, permet :
- D’être proactif sur le niveau d’efficacité énergétique.
- De s’assurer que le niveau des fuites thermiques ne va pas être préjudiciable au bon fonctionnement du système.
- De réduire les coûts de conception, de fabrication et de maintenance.
- De quantifier le rendement.
Nous vous conseillons de réaliser ce type d’étude lors de la conception des systèmes afin d’éviter les sur-coûts de modifications lors d’une phase plus avancée du développement.
Chronologie de notre collaboration avec un fournisseur cryogénique pour l'optimisation d'un système à longue durée de développement.
Analyse et démarche
- Présentation du système cryogénique : Structure sous vide, impact du rayonnement et conduction.
- Modélisation sans isolant : CAO initiale, simulation des fuites thermiques (sans isolant).
- Méthodologie des simulations : Logiciel utilisé (Comsol Multiphysics), identification des zones critiques.
- Scénarios testés : Variations de localisation et épaisseur des isolants.
- Efficacité des isolants : Optimisation entre performance thermique et coût.
- Maintenance et rentabilité : Comment la réduction d’isolants simplifie la maintenance et réduit les coûts.
- Bénéfices recherchés : Réduction des coûts, efficacité énergétique et retour sur investissement. Importance d’une simulation en phase de conception.