Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Parmi les changements de phase liquide-vapeur associé à la formation de bulles, intéressons-nous à l’ébullition libre, c’est-à-dire l’ébullition d’un fluide à partir d’une paroi chauffée, sans aucun signal thermique imposé. Après une introduction sur les principes fondamentaux des systèmes liquide-vapeur, l’article détaille le mécanisme de transfert de chaleur au cours de l’ébullition en convection libre. Il aborde ensuite l’ébullition des mélanges, souvent utilisée industriellement à des fins de séparation des corps. Pour terminer, il évoque l’ébullition en milieu confiné au voisinage de la paroi chauffée, cas particulier et notablement différent d’une ébullition libre.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Monique LALLEMAND : Ingénieur, Docteur-ès-Sciences - Professeur des Universités à l’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
INTRODUCTION
Le processus d’ébullition, qui correspond au changement de phase liquide-vapeur associé à la formation de bulles, est un phénomène de transfert de chaleur qui occupe une grande place dans le domaine industriel car il permet d’atteindre des densités de flux élevées avec des écarts de température relativement faibles. L’ébullition libre représente l’ébullition d’un fluide naissant à partir d’une paroi chauffée, le fluide étant immobile en l’absence de signal thermique imposé. Les résultats des études d’ébullition libre sont fondamentaux pour la description des mécanismes de l’ébullition convective (traité dans le dossier Transferts en changement de phase- Ébullition convective), dont le champ d’applications est plus vaste. La technique des échangeurs diphasiques a évolué ces dernières années vers le domaine des mini- voire des microéchelles, d’une part, en raison d’une recherche de compacités accrues pour limiter les quantités de fluide, d’autre part, grâce au développement des microtechnologies d’usinage. Cette évolution a également été imposée du fait de la miniaturisation d’un grand nombre de systèmes qui dissipent des densités de flux sans cesse croissantes, en particulier les composants électroniques. Les lois macroscopiques établies pour des géométries conventionnelles cessent d’être utilisables car d’autres phénomènes interviennent aux petites échelles. Du fait de l’évolution de la nature des fluides utilisés dans les évaporateurs, liée aux problèmes environnementaux, les fluides frigorigènes sont de plus en plus des mélanges non azéotropiques dont le comportement pour l’ébullition est modifié par la diffusion d’une espèce au sein de l’autre. Ces différents aspects seront traités dans ce document.
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- Version courante de janv. 2021 par Jocelyn BONJOUR, Monique LALLEMAND
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Transferts de chaleur au cours de l’ébullition en convection libre1. Principes fondamentaux des systèmes liquide-vapeur
1.1 Notions de base de thermodynamique élémentaire
Les transitions de phases ou changements d’état sont connus depuis très longtemps mais, du fait de la complexité des phénomènes physiques mis en jeu, ils font toujours l’objet d’un grand nombre d’études. Lors du changement d’état liquide-vapeur, il apparaît des discontinuités des variables d’état caractérisant chaque phase.
HAUT DE PAGE1.1.1 Potentiels thermodynamiques
L’équilibre thermodynamique d’un système traduit son état du point de vue mécanique, thermique et chimique. L’état d’une phase est décrit par des variables intensives et extensives la caractérisant (p, T, H, U, etc.). En thermodynamique, on montre qu’une phase est stable si elle correspond à un maximum du potentiel thermodynamique :
-
énergie libre F si les variables sont T et V ;
-
enthalpie libre G si les variables sont p et T.
L’état d’équilibre d’une phase est donné par le critère de stabilité de Gibbs-Duhem :
Les grandeurs dS, dU et dV sont des variations infinitésimales autour de la position d’équilibre. Il en découle qu’un état est stable pour un minimum des potentiels U à S et V constants, F à T et V constants, H à S et p constants, G à T et p constants ou un maximum d’entropie S à U et V constants. Si ces conditions ne sont plus respectées, l’équilibre est rompu et le système évolue vers un état métastable ou un état instable.
Pour le changement d’état liquide-vapeur, la transition s’accompagne d’une chaleur latente de vaporisation
et d’une discontinuité de certaines grandeurs thermodynamiques, comme...
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Principes fondamentaux des systèmes liquide-vapeur
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - AIT-AMEUR (M.), STUTZ (B.), LALLEMAND (M.) - Régimes d’instabilités en ébullition naturelle convective. - Congrès SHF « Microfluidique », Toulouse (2004).
-
(2) - BANKOFF (S.G.) - Entrapment of gas in the spreading of liquid over a rough surface. - AIChE J 4, 24-26 (1958).
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(3) - BERENSON (P.J.) - Experiments on pool-boiling heat transfer. - J. Heat Transfer 83, 3, 351-358 (1961).
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(4) - BERENSON (P.J.) - Film boiling heat transfer from a horizontal surface. - Int. J. Heat and Mass Transfer 5, 985-999 (1962).
-
(5) - BONJOUR (J.), LALLEMAND (M.) - Flow patterns during boiling in a narrow space between two vertical surfaces. - Int. J. Multiphase Flow, 24, 947-960 (1998).
-
(6) - BREEN (B.P.), WESTWATER (J.W.) - Effect of diameter of horizontal tube on film boiling heat transfer. - ...
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