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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.
Pour le tableau de notations et symboles, le lecteur se reportera au « Pour en savoir plus » .
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- Version courante de nov. 2020 par Rémi REVELLIN, Monique LALLEMAND
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Ébullition convective des mélanges3. Ébullition convective pour des tubes horizontaux
3.1 Ébullition en tubes horizontaux
Pour des raisons de compacité ou d’encombrement, on utilise parfois des tubes horizontaux, par exemple dans des évaporateurs de machines frigorifiques. On rencontre également des tubes quasiment horizontaux dans des évaporateurs à tubes coaxiaux spiralés. Dans les évaporateurs multitubulaires à tubes verticaux, les coudes de liaison constituent aussi des portions horizontales de tubes.
Pour une telle configuration d’écoulement, l’effet des forces gravitaires sur l’écoulement diphasique n’est pas symétrique et peut conduire à une séparation des phases liquide et vapeur : la stratification. La partie supérieure du tube est alors asséchée et l’ébullition ne peut apparaître que sur une portion limitée de la section du tube, mouillée par le liquide.
HAUT DE PAGE3.1.1 Assèchement en tubes horizontaux
Lors de l’apparition de la stratification, l’écoulement n’est plus symétrique. La répartition des phases dépend des vitesses superficielles des phases (figure 14). Pour une faible vitesse superficielle de la vapeur (faible débit du fluide) et un titre de la vapeur faible, l’interface liquide/vapeur est plane avec la partie supérieure du tube entièrement asséchée : c’est un écoulement stratifié. C’est le cas le plus défavorable, car la température au sommet du tube peut atteindre des valeurs très élevées du fait d’un échange thermique faible entre la paroi et la vapeur. Si le débit du fluide a une valeur plus élevée, le liquide est entraîné par la vapeur du fait des contraintes interfaciales, c’est un écoulement intermédiaire pour lequel la température de paroi n’est pas uniforme. Pour une vitesse superficielle de la vapeur plus élevée, le liquide peut remouiller la partie supérieure du tube et on observe un écoulement du type annulaire.
Il existe une vitesse critique d’écoulement du fluide en dessous de laquelle il y a apparition de la stratification. L’expression établie par Gardner et Kubie [23]...
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Ébullition convective pour des tubes horizontaux
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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