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RÉSUMÉ
Pour assurer le refroidissement d’ambiances, de liquides, de systèmes, on a très souvent recours à l’ébullition convective, qui conduit à des transferts thermiques plus efficaces qu’en ébullition libre. Ce régime d’ébullition possède de nombreuses variantes. Cependant, deux mécanismes interdépendants prédominent, celui de la convection forcée et celui d’un processus d’ébullition nucléée contrôlé par la différence de températures entre la paroi et le fluide, les propriétés du liquide, la mouillabilité de la paroi. Par ailleurs, la géométrie des systèmes (ébullition intratubulaire, extratubulaire) et leur orientation modifient eux aussi notablement les transferts thermiques en ébullition.
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Monique LALLEMAND : Ingénieur, Docteur-ès-Sciences - Professeur des Universités à l’Institut National des Sciences Appliquées
INTRODUCTION
L’ébullition convective est largement utilisée pour assurer le refroidissement d’ambiances, de liquides, de systèmes, grâce à des transferts thermiques plus efficaces qu’en ébullition libre. Dans le domaine industriel, la conception de réacteurs nucléaires refroidis par eau, de machines frigorifiques ou pompes à chaleur, de bouilleurs dans l’industrie pétrochimique et de nombreuses installations du génie des procédés est basée sur les connaissances des mécanismes contrôlant l’ébullition convective. En ébullition convective, les échanges thermiques dépendent d’une part, du phénomène de convection forcée, d’autre part, du processus d’ébullition nucléée à partir d’une paroi suffisamment chauffée pour qu’il y ait génération de vapeur. Ces deux mécanismes sont étroitement dépendant l’un de l’autre du fait de la coexistence des deux phases. En plus des forces visqueuses, d’inertie, de pression caractérisant les écoulements monophasiques, les écoulements diphasiques sont soumis aux forces de tension interfaciales et à l’échange de quantité de mouvement entre les deux phases. Les transferts thermiques en ébullition nucléée sont principalement contrôlés par la différence de températures entre la paroi et le fluide, les propriétés du liquide, la mouillabilité de la paroi. Pour l’ébullition convective, les vitesses de chaque phase et leur distribution jouent un rôle majeur, ce qui nécessite la connaissance des configurations d’écoulement en fonction de la position du système, qui le plus souvent est horizontale ou verticale. Les mécanismes d’ébullition associés conduisent à différents régimes d’ébullition qui doivent être étudiés séparément. Par ailleurs, la géométrie des systèmes (ébullition intratubulaire, extratubulaire) et leur orientation modifient notablement les transferts thermiques en ébullition. Les mélanges de fluides revêtent une grande importance dans de nombreuses applications chimiques, pétrochimiques et dans les procédés industriels. Du fait d’un comportement différent des corps purs qui les composent, ils doivent faire l’objet de développements spécifiques en ébullition convective. Enfin, depuis quelques décennies sont apparues des méthodes de refroidissement diphasiques plus efficaces telles que les écoulements en microcanaux ou les jets impactants, qui seront présentées.
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- Version courante de nov. 2020 par Rémi REVELLIN, Monique LALLEMAND
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Ébullition convective6. Amélioration des transferts en ébullition par jet impactant
Bien que l’ébullition soit un système de refroidissement très efficace, il est nécessaire pour certaines applications de dissiper des densités de flux plus élevées. La limite de l’ébullition est souvent liée à l’apparition du flux critique qui ne peut être approchée sans risque d’endommagement des parois. Une méthode intéressante pour augmenter le flux critique est l’utilisation de jets impactants. Cette technique peut être utilisée pour le refroidissement de divers systèmes tels que le refroidissement de plaques d’acier en sidérurgie ou le refroidissement de composants électroniques.
Le principe est le suivant : un jet de liquide froid, voire sous-refroidi, impacte la paroi chaude et se vaporise en assurant le refroidissement de la paroi. Il existe différents types de jets impactants. Kandlikar et al. [34] ont identifié quatre catégories, qui sont schématisées sur la figure 19. Les jets à surface libre (figure 19 a), dont la section est soit circulaire, soit plane, ont une vitesse initiale normale à la paroi et le liquide est évacué sur toute la paroi. Les jets de paroi (figure 19 b) arrivent tangentiellement à la paroi. Pour les jets submergés (figure 19 c), qui sont normaux à la paroi, l’injection du liquide froid a lieu directement dans le liquide à surface libre, au contact de la paroi chaude. La dernière configuration (figure 19 d) correspond à une injection du jet normale à la paroi et à une évacuation du fluide injecté en milieu confiné. Le choix de ces différentes configurations est souvent lié à des problèmes technologiques. Les jets normaux à la paroi à surface libre sont les plus intéressants du point de vue amélioration des échanges thermiques et augmentation du flux critique.
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Amélioration des transferts en ébullition par jet impactant
ANNEXES
HAUT DE PAGE
APRIN (L.) - Étude expérimentale de l’ébullition d’hydrocarbures sur un faisceau de tubes horizontaux. Influence de la nature du fluide et de l’état de surface - . Thèse de Doctorat, Aix-Marseille I (nov. 2003).
BAKER (O.) - Simultaneous flow of oil and gas - . Oil gas J 53 (1954), 185.
BAROCZY (C.J.) - A systematic correlation for two-phase pressure drop - . Chem. Eng. Prog. Symp. Ser., 62 (1966), 232-249.
BERGLES (A.E.) - ROHSENOW (W.M.) - The determination of forced-convection surface-boiling heat transfer - . J. Heat Transfer, 86 (1964), 365-372.
BOWRING (R.W.) - A simple but accurate round tube uniform heat flux dry-out correlation over the pressure range 0.717 MN/m2 - . Br Report AEEW-R789, Winfrith, UK (1972).
BROMLEY (J.A.) - Heat transfer in stable film boiling - . Chem. Eng. Prog., 46, 5 (1950), 221-227.
BRUTIN (D.) - Écoulements liquides en microtubes et ébullition convective en minicanaux : étude expérimentale et modélisation - . Thèse de Doctorat, Université de Provence (oct. 2003), 274 p.
BURNSIDE (B.M.) - 2-D kettle reboiler circulation model - . Int. J. Heat and Fluid Flow, 20 (1999), 437-445.
Van CAREY (P.) - Liquid-vapor phase-change phenomena - . Taylor et Francis (1992).
CELATA (G.P.) - CUMO (M.) - MARIANI (A.) - Burnout in highly subcooled water flow boiling in small diameter tubes - . Int. J. Heat Mass Transfer, 36, 5 (1993), 1269-1285.
CELATA (G.P.) - CUMO (M.) - MARIANI (A.) - Enhancement of CHF water subcooled flow boiling in tubes using helically coiled wires - . Int. J. Heat Mass Transfer, 37, 1 (1993), 53-67.
CHEN (J.C.) - Correlation of boiling heat transfer to...
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