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Etude détaillée du transfert de chaleur lors de l'ébullition sous-saturée en utilisant le modèle mécaniste de Yeoh

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par Mohand MAAGA
Université Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou, Algérie - Master II en génie mécanique option énergétique 2010
  

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Introduction

Le phénomène d'ébullition sous saturée ou locale intervient dans divers applications industrielles, dans les grandes installations thermiques (centrales électriques, complexes sidérurgiques ou raffineries) ou dans les petits et moyens équipements (microprocesseurs, moteurs à combustion interne, ...), dans le développement des systèmes de refroidissement modernes, les performances croissantes en puissance conduisent à des charges thermiques considérables sur les surfaces chauffantes. De tels systèmes présentant des limitations sur la surface d'échange disponible pour le transfert de chaleur, du débit du fluide caloporteur et sur les températures admissibles des parois qui ne peuvent être refroidis que par le passage contrôlé du fluide caloporteur du régime simple phase liquide au régime d'ébullition nucléée.

Sous certaines conditions appelées `'conditions critiques» la vapeur produite forme une barrière thermique entraînant une montée brusque de la température, le flux thermique critique provoque une dégradation brutale du coefficient de transfert de chaleur pouvant entraîner la fusion de la paroi chauffante. Ce phénomène est appelé »crise d'ébullition».

La crise d'ébullition est un phénomène brutal et destructif qu'il faut à tout prix éviter son apparition dans les systèmes thermiques, selon les conditions de l écoulement, il existe deux types de crise d'ébullition :

- crise d'ébullition à faible titre appelée aussi »caléfaction». - crise d'ébullition à titre élevé appelée »assèchement».

Les systèmes faisant intervenir le phénomène d'ébullition en fonctionnement normal dissipent et permettent d'extraire de grande quantité de chaleur à des écarts des températures faibles. ce mode de transfert de chaleur par ébullition à un coefficient d'échange sensiblement augmenté, est associé à un phénomène d'évaporation très complexe mal compris et mal défini à ce jour et constitue un grand défit pour les développeurs des codes CFD (Computational Fluid Dynamic). Pour son application dans l'ingénierie,

Beaucoup de corrélations modélisant ce phénomène à partir de banques de données issus des expériences, et à l'aide d'outils d'analyse statistique, en fonction des paramètres d'influence judicieusement choisis et mesurés : la géométrie, la puissance, débit, etc. Cette approche présente deux inconvénients :

- Son coût élevé et le manque de généralité.

- Les corrélations développées ne sont pas applicables en dehors du domaine d'application correspondant aux conditions de l'expérience.

En effet, les chercheurs ont tentés une deuxième méthode consiste à identifier les mécanismes physiques qui provoquent le phénomène, cette approche requiert une modélisation réaliste du phénomène complexe de l'ébullition relatif au transfert de chaleur diphasique. , plusieurs modèles mécaniste on étés développés (modèle Basu et al, Kurul et Podowski et Yeoh et al).

Dans ce travail, nous nous intéressons à l'étude du modèle mécaniste dit à quatre (4) flux proposée par Yeoh et al (2008) pour la prédiction du transfert de chaleur dans la région d'ébullition sous saturée.

Pour ce faire, on a structuré notre mémoire en cinq (05) chapitres. Dans le premier chapitre sert à rappeler de notions fondamentales et de grandeurs caractéristique d'un écoulement diphasique ainsi qu'à la description des régimes d'ébullition et régions d'écoulements rencontrés dans le cas d'ébullition en vase clos et dans le cas d'un tube chauffant. Dans le deuxième chapitre, nous scrutons les régimes d'ébullition dont une étude particulière aux régimes d'ébullitions sous-saturée en donnant les différentes corrélations qui régissent le transfert de chaleur dans ces régions. Le chapitre trois (3) passe en revue les différents modèles mécanistes actuels dont une étude particulière de modèle de Yeoh. Le quatrième (4) chapitre est consacré à décrire la méthode de calcul et en utilisant ce modèle pour élaboration d'un programme en langage Fortran dont l'objectif principal est la prédiction de coefficient d'échange thermique dans les régions sous-refroidies. Le dernier est consacrer à la discutions des résultats prédis par ce modèle et on finira par une conclusion générale.

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"Les esprits médiocres condamnent d'ordinaire tout ce qui passe leur portée"   François de la Rochefoucauld