Par Jakub Tkaczuk
Laboratoire Conception Cryogénique et Calculs (L3C)

Ce travail est motivé par le développement de nouvelles installations cryogéniques de grande capacité et vise à améliorer de leur efficacité thermique. Les résultats présentés permettent de décrire avec précision les propriétés thermodynamiques des mélanges de gaz cryogéniques.
Les équations d'état empiriques multiparamétriques explicites dans l'énergie de Helmholtz sont développées pour les mélanges binaires d'hélium, de néon, d'argon et d'azote. Le processus de développement est présenté et comprend l'examen des données expérimentales, la pondération des points de données et la minimisation de la fonction objectif à l'aide d'une régression non linéaire supervisée.
Les équations sont valables pour les monophases et les enveloppes d'équilibre de phase pour toute la plage de composition et pour des pressions jusque 1000 MPa. Les incertitudes d'équations à basse pression (0 – 10 MPa) atteignent 0.5 – 2,5 % pour 95 % des points de données utilisés pour leur développement. À plus haute pression, un écart aux données expérimentales jusque 5% peut être observé pour la densité. Les écarts de vitesse du son varient de 4 à 10 %.
Outre que le discussion sur l'incertitude monophasique, une nouvelle méthode est proposée pour évaluer les incertitudes dans les calculs d'équilibre de phase. Ses avantages et inconvénients par rapport à la méthode classique basée sur la pression sont présentés.
Afin de valider les équations d'état en monophasique aux températures cryogéniques, une banc d'essai pour les mesures du coefficient Joule-Thomson est conçu et construit. Les mesures indirectes sont d'abord effectuées pour les fluides purs afin de valider le banc expérimental. Le coefficient Joule-Thomson est ensuite mesuré pour les mélanges permettant de compléter l'étude. L'incertitude type relative élargie ainsi que l'analyse Monte Carlo pour l'analyse combinée sont présentées et discutées. Elles montrent que les équations d'état présentées restent valides aux températures cryogéniques.
Enfin, une brève discussion sur les perspectives et les étapes ultérieures conclut ce travail.