1.3.2. Ebullition en convection forcée dans un tube
chauffant :
Dans un écoulement bouillant vertical dont la paroi est
chauffée de manière uniforme, on peut situer plusieurs
configurations; ces dernières sont discernées par la
répartition spatiale de la quantité de vapeur présente
dans l'écoulement qui évolue en fonction des conditions
thermo-hydrauliques de l'écoulement à la paroi. Chacune des
configurations d'écoulements est également
caractérisée par un ou plusieurs régimes d'échange
thermique à la paroi.
Dans la figure 1.2, le tube est alimenté en liquide
très sous-saturée à l'entrée et de longueur
suffisante pour assurer un écoulement en vapeur surchauffée
à la sortie.
Figure 1.2 : Configurations
d'écoulement et régimes de transfert de chaleur
associés
pour un flux de chaleur pariétal faible (1977,
[1]).
On distingue sept régions différentes le long de ce
tube (A à G) : 'Region A:
Région simple phase liquide (single phase liquid flow),
C'est la première région à l'entrée du canal
où l'échange de chaleur entre la paroi et le fluide se fait par
convection forcée en simple phase liquide.
'Region B:
C'est la région d'écoulement à bulles
(bubbly flow). En premier lieu, les bulles de vapeur se forment au voisinage de
la paroi dont la température est voisine à celle de saturation,
puis elles s'arrachent et se condensent au centre du tube où le liquide
n'a pas encore atteint la température de saturation. Dans cette
région, on rencontre plusieurs termes décrivant les modes
d'échange thermique, on citera : l'ébullition locale,
l'ébullition sous-refroidie et l'ébullition nucléée
sous-saturée.
'Region C:
C'est la région d'écoulement à bouchon ou
à poches (Plug-flow ou slugflow).Comme son nom l'indique, il y a
formation des poches de vapeur au centre du tube par le regroupement d'un
nombre important de bulles. Dans cette zone, si le flux de chaleur est
très important, l'apparition des bulles se multiplient et elles prennent
du volume puis se rejoignent pour former une couche de vapeur au voisinage de
la paroi, constituant une barrière à l'échange thermique.
C'est le phénomène de la crise d'ébullition à
faible titre (la caléfaction), un phénomène destructif
qu'il faut éviter.
'Region D:
C'est la région d'écoulement annulaire
(annular-flow), les poches de vapeur s'agglomèrent au centre et forment
des manchons enchainés en queue leu-leu, ces manchons de vapeur se
rejoignent à leurs tours pour créer un cylindre de vapeur au
centre du tube entouré du liquide annulaire.
'Region E:
C'est la région d'écoulement annulaire avec
entrainement. De fines gouttelettes liquide sont entrainées par de la
vapeur, parfois de la vapeur se condense et se dépose sur le film
liquide. Lorsque l'écoulement annulaire se stabilise, on voit un film
annulaire liquide à la paroi entraîné par la vapeur au
centre. Le film liquide annulaire se dissipe peu à peu par vaporisation.
Lorsqu'il disparait complètement, on assiste à un
phénomène de crise d'ébullition à titre
élevé qu'on appelle aussi assèchement (dry out).
'Region F: C'est la région
d'écoulement à brouillard (Mist Flow), Le film liquide à
complètement disparu. Cette région est caractérisée
par le brouillard formé de microscopiques gouttelettes liquides en
suspension dans la vapeur. Ici la température du fluide dépasse
celle de la saturation.
'Region G:
C'est la région d'écoulement simple phase vapeur
(sèche), le transfert de chaleur paroi-fluide est calculé par les
lois classiques de la convection forcée.
Les configurations d'écoulements et les régimes
de transfert thermique que nous venons de décrire peuvent être
repérés différemment en fonction des conditions initiales
de l'écoulement. Les cartes d'ébullition «
idéalisées » tracées par Collier illustrent les
différents régimes qui peuvent avoir lieu dans un tube chauffant
vertical pour un flux de chaleur imposé (refroidissement des coeurs de
réacteurs nucléaires, moteur à combustion interne, tubes
électroniques,...) (Figure 1.3) et pour un gradient de
température paroi-fluide (TW -TSAT) donné ou
imposé (Figure 1.4).
Les paramètres thermo-hydraulique de
l'écoulement (le débit spécifique G, la température
d'entrée Ti du fluide, la pression P dans le tube, la
géométrie du canal), influent considérablement sur la
configuration et les régimes d'écoulement dans le tube.
Le cas traité par la figure 1.2 est
représenté par la courbe en bas (en bleu) de la figure 1.3 (Flux
faible) qui permis d'avoir toutes les différentes régions de
l'écoulement de A à G. Cette situation correspond à des
conditions de faible flux et de faible débit spécifique.
Figure 1.3 : Carte d'ébullition des
différentes régions d'écoulement pour un flux d
chaleur
imposé (1981, [4])
Figure 1.4 : Carte d'ébullition des
différentes régions d'écoulement pour
un
température de la paroi imposée (1981, [4]).
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