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1 - PRINCIPES FONDAMENTAUX DES SYSTÈMES LIQUIDE-VAPEUR

2 - TRANSFERTS DE CHALEUR AU COURS DE L’ÉBULLITION EN CONVECTION LIBRE

3 - ÉBULLITION DES MÉLANGES

4 - ÉBULLITION EN MILIEU CONFINÉ

| Réf : BE8235 v1

Transferts de chaleur au cours de l’ébullition en convection libre
Transferts en changement de phase - Ébullition libre

Auteur(s) : Monique LALLEMAND

Date de publication : 10 juil. 2005

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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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Auteur(s)

  • 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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VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-be8235


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2. Transferts de chaleur au cours de l’ébullition en convection libre

2.1 Description phénoménologique de l’ébullition libre

L’ébullition qui prend naissance sur une paroi chauffée (avec le liquide au repos en l’absence de chauffage) est dite ébullition en vase, ébullition en fluide stagnant ou ébullition libre (pool boiling ). Les premiers travaux expérimentaux relatifs à l’ébullition libre sont dus à Nukiyama . Pour cette expérience, un fil de platine chauffé électriquement est immergé dans un bain d’eau distillée maintenue à 100 oC. La densité de flux est obtenue par mesures du courant et de la tension aux bornes du fil et la température moyenne de la paroi est déduite de la variation de la résistance du fil avec la température. La courbe représentant la densité de flux en fonction de la surchauffe de la paroi (ΔTsat = Tp – Tsat ) en régime stationnaire est dite courbe d’ébullition. Pour l’expérience de Nukiyama, cette courbe est obtenue en imposant une succession de flux croissants ou de flux décroissants. L’allure de la courbe d’ébullition est représentée sur la figure 11. Les différents régimes observés pour une courbe décrite à flux imposé sont détaillés ci-dessous.

  • Régime de convection naturelle

    Aux très faibles densités de flux (zone AB), la température de la paroi est insuffisante pour initier la nucléation. En raison des gradients de température dans le liquide, la chaleur est transférée par convection naturelle jusqu’à la surface du bain où a lieu une évaporation (interface plane). Au point B, la surchauffe de la paroi est importante. Des bulles apparaissent localement sur la paroi. Ce phénomène est rapide et l’émission de bulles crée...

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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).

  • (3) - BERENSON (P.J.) -   Experiments on pool-boiling heat transfer.  -  J. Heat Transfer 83, 3, 351-358 (1961).

  • (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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