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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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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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