L’importance présumée des phases de l’azote

L’état de l’art permet de constater que même si l’azote est, en tant que vecteur du refroidissement, l’acteur principal de l’assistance cryogénique, ses propriétés ne sont que trop peu évoquées, voire même passées sous silence dans la littérature. Pourtant, la comparaison des principales propriétés physiques et thermiques de l’azote dans ses phases liquide et gazeuse permet de se douter des complexités liées à son utilisation ainsi que de l’importance de la phase dans laquelle il est délivré en zone de coupe. En voici quelques ordres de grandeur commentés :  Equilibre liquide – vapeur [Air Liquide] Tsat = -195,8 °C (à patm=1,013 bar) L’azote est donc un fluide dont l’état liquide est très instable dans des conditions de pression et de température « classiques » (air ambiant, 20°C), son stockage et son acheminement à l’état liquide nécessite des récipients et conduites extrêmement bien isolés thermiquement.  Equivalent gaz/liquide en volume [Air Liquide] 1 L de N2, liquide =680,4 L de N2, gaz (à patm et 15°C) Lors de sa vaporisation, qui se fait naturellement même en cas de très bonne isolation, l’azote multiplie son volume par environ 680. Sachant qu’à priori, l’assistance cryogénique nécessite de faire passer de l’azote par le centre broche d’une machine-outil, il est probable que ce ratio ne soit pas sans importance lorsque l’ébullition se produit dans un canal de diamètre restreint.  Capacité thermique massique à pression constante [Pusavec et al., 2014] Cp, liquide ≈ 2 Cp, gaz (à patm, Tsat) [J.kg-1 .K-1 ] Cela signifie que comparé à l’azote gazeux, il faut enlever deux fois plus d’énergie au liquide Questions soulevées par l’étude bibliographique  pour abaisser sa température de 1°C. Etant donné que l’idée est justement d’enlever le plus d’énergie thermique possible à l’outil, ce ratio ne semble pas anodin.  Conductivité thermique [Pusavec et al., 2014] λliquide ≈ 10 λgaz (à patm, Tsat) [W.m-1 .K-1 ] Cela signifie que l’azote liquide conduit 10 fois mieux la chaleur que l’azote gazeux (à ne pas confondre avec diffusivité qui caractérise la vitesse de diffusion d’un signal de température dans l’espace).  Chaleur latente de vaporisation [Air Liquide] ΔHs,l = 199,18 kJ.kg-1 (à patm) Lors de la vaporisation de 1 kg d’azote liquide, 199 180 J sont absorbés de l’environnement direct du fluide. En prenant l’exemple du carbure de tungstène dont la capacité thermique massique à patm est d’environ 400 J.kg-1 .K-1 à 25°C, cela voudrait dire que 1 kg d’azote liquide pourrait potentiellement faire baisser la température d’1kg de carbure de tungstène d’environ 500°C. Ainsi, il semblerait que cette propriété soit la plus importante pour justifier un potentiel de refroidissement supérieur de l’azote à l’état liquide comparé à sa forme gazeuse. Malgré les quelques propriétés énoncées ci-dessus, le problème n’est pas aussi simple qu’il n’y parait étant donné que de par l’utilisation que l’on compte faire de l’azote liquide, il existera une différence importante de température entre la surface à refroidir et le fluide de refroidissement lui-même. Dans ces conditions entre en jeu le phénomène dit de caléfaction (aussi appelé effet Leidenfrost) qui est un phénomène d’isolation thermique entre le liquide et la paroi dû à l’évaporation instantanée du liquide en contact. Ainsi, les transferts thermiques liquide-paroi sont dans un premier temps fortement diminués et le liquide se conserve plutôt que de s’évaporer et d’absorber par la même occasion l’énergie thermique de la paroi. Ce principe peut être illustré par l’exemple d’une goutte d’eau sur une plaque chauffante qui donnera alors l’impression de glisser ou rouler sur la surface, mettant alors plus de temps à s’évaporer. De la même manière, c’est aussi ce principe qui permet de mettre brièvement sa main dans de l’azote liquide sans risquer de brûlure par le froid.

Acheminement : ébullition de l’azote liquide en convection forcée

Les résultats de la recherche préliminaire sur les propriétés de l’azote dans ses phases gazeuse et liquide semblent confirmer l’importance de la maîtrise de la répartition des phases dans le cadre de l’utilisation de l’assistance cryogénique. Ainsi, cet axe de recherche, orienté vers la compréhension et l’optimisation de l’acheminement de l’azote doit être considéré comme un verrou technologique à l’étude rigoureuse des effets de l’assistance cryogénique sur le perçage des empilages hybrides. En effet, sans maîtrise de l’acheminement d’azote, il ne sera en aucun cas possible de réaliser des essais rigoureux avec l’assistance ni d’en tirer des conclusions sur son réel potentiel. 

Théorie de l’ébullition en convection forcée

La première étape de l’approfondissement de cette problématique est la compréhension des phénomènes qui régissent l’ébullition d’un fluide en convection forcée. Pour cela, il est possible dans un premier temps de se référer à des ouvrages généraux sur les transferts thermiques comme par exemple celui de [Battaglia et al., 2010] qui donne les aspects théoriques de l’ébullition en convection forcée de l’eau. La Figure I.30 provenant de [Hartwig et al., 2015] résume bien les phénomènes qui se déroulent dans ce cas classique En considérant que l’on observe un point fixe de la conduite dans laquelle s’écoule le fluide et en se plaçant dans le cas d’intérêt du projet, c’est-à-dire le cas où le fluide est réchauffé par la paroi de la conduite qui le contient, le fluide va passer par plusieurs étapes d’écoulement qui sont observables et caractérisées par des variations de flux de chaleur sur la paroi interne de la conduite. Sur la courbe présentée Figure I.30 se retrouvent notamment un maximum et un minimum de flux de chaleur échangé avec la paroi : il est intéressant de noter que le minimum est aussi appelé point de Leidenfrost et correspond exactement au phénomène de caléfaction observable dans l’exemple d’une goutte d’eau sur une plaque chaude. Pour plus de clarté, le déroulement temporel de l’observation de la mise en froid d’un morceau de conduite est schématisé Figure I.31.