Magazine Mercredi 1 décembre 2021 - 16:34

Projet Nathena, des échangeurs thermiques nouvelle génération

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Projet Nathena, des échangeurs fabrication additive

Démarré en mars 2018, le projet européen « Nathena » est dédié aux échangeurs thermiques nouvelle génération, à savoir, une reconception totale possible grâce à l’utilisation de la fabrication additive. Il s’étale sur une durée de 4 ans et est doté d’un budget total de 1.5M€ financé à 100 % par la commission européenne. Présentation !

Février 2017, un des sujets de l’appel à projet européen Cleansky2 attire l’attention de nombreuses entités, entreprises et laboratoires. Il s’agit d’une problématique proposée par Liebherr Aerospace sur les échangeurs thermiques de nouvelle génération visant à évaluer les potentielles améliorations que la fabrication additive peut amener dans ce domaine.

De cette lecture nait alors la volonté pour SOGECLAIR Aerospace de se lancer dans le montage d’un consortium. En effet, la fabrication additive appliquée aux produits complexes, notamment les échangeurs thermiques, y est développée depuis bientôt 10 ans. La société d’ingénierie en haute technologie dans le domaine aéronautique constitue alors un consortium composé d’AddUp, fabricant français de machine de fabrication additive métallique sur lit de poudre, TEMISTh, développeur et fournisseur français de solutions thermiques sur mesure, et de l’Institut Von Karman pour la dynamique des fluides (IVK-DF), un laboratoire belge de mécanique des fluides. Ensemble, ils vont porter le projet auprès de la commission européenne.

Des performances identiques pour une masse réduite

Un projet commence souvent par un nom. Ce sera NATHENA pour “New Additive manufacTuring Heat ExchaNger for Aeronautic”. D’une durée de 4 ans, il est doté d’un budget total de 1,5 millions d’euros, financé à 100 % par la commission européenne. L’objectif de NATHENA est de développer deux échangeurs de chaleur innovants pour le domaine de l’aéronautique. L’un est un « precooler » permettant de pré-refroidir de l’air chaud directement prélevé dans les turbomoteurs d’un avion de ligne. Le second est un « cooler ». Situé plus en aval dans la chaîne de conditionnement de l’air de l’avion, il permet de refroidir de nouveau l’air pour une utilisation ultérieure. De par leur positionnement, le pre-cooler sera conçu en Inconel 718 car soumis à des températures très élevées, tandis que le cooler sera conçu en aluminium AlSi7Mg, étant confronté à des températures adaptées à cet alliage. L’ambition du projet est de concevoir ces échangeurs de chaleur aussi performants que les existants, mais avec une masse et un volume réduits.

Analyse et simulation numérique des canaux

La première étape du projet NATHENA a été de constituer un état de l’art des échangeurs thermiques d’un point de vue design, simulation numérique, optimisation, essais sur banc et des techniques de fabrication associées. L’environnement normatif des échangeurs de chaleur aéronautiques a pu également être précisé, ainsi que les différents brevets relatifs aux domaines listés précédemment. Ces travaux ont permis de guider et d’affiner les choix architecturaux ainsi que les paramètres géométriques A des futures structures d’intensification qui seront développées et caractérisées durant le projet.

S’appuyant sur les précédents travaux, le démarrage des études techniques a abouti à la co-création des premières fichiers CAO (Conception Assistée par Ordinateur), de nouvelles structures d’intensification par l’équipe projet (TEMISTh pour la conception thermique, SOGECLAIR aerospace pour la conception mécanique et ADDUP pour la fabricabilité des pièces). Le but est d’estimer leurs performances d’un point de vue fabrication, comportements mécanique, fluidique et thermique afin d’élire les géométries les plus prometteuses. Ces dernières sont ensuite intégrées dans des canaux d’essais normalisés pour le projet. Les impressions en Inconel et en aluminium sont réalisées sur une machine FormUp 350 de AddUp.

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CAO échangeur thermique impression 3D

Un peu moins de 10 canaux ont été imprimés dans chaque matériau, un canal par structure d’intensification. Ces canaux sont ensuite testés thermiquement sur un banc d’essai conçu et exploité par l’IVKDF ? Les résultats expérimentaux sont ensuite corrélés avec les simulations numériques réalisées par Temisth (simulations CFD : Computational Fluid Dynamics). Le principe : de l’air à température ambiante aux propriétés contrôlées est introduit à l’entrée des canaux tandis que ceux-ci sont chauffés via une résistance électrique plane et apposée sur une de leurs parois. De multiples capteurs mesurent alors la pression, la température et la vitesse du gaz en différentes positions des canaux. Ces mesures servent alors à consolider la validité des modèles de simulation numérique, mais aussi à comparer les performances des différentes structures.

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SOGECLAIR Aerospace impression 3D

Caractériser les performances de la géométrie

Le consortium a pu obtenir à ce stade une meilleure compréhension des écoulements et des transferts thermiques dans différentes structures produites par fabrication additive. La fabricabilité de telles géométries, notamment d’un point de vue des parois fines, a également pu être évaluée. Les premiers résultats très encourageants permettent déjà d’esquisser l’architecture des échangeurs de chaleur la plus performante, et permettant d’offrir le meilleur compromis entre fabricabilité, tenue mécanique, performances thermiques et performances fluidiques.

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