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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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Lire l’articleAuteur(s)
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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 pour des tubes horizontaux2. Ébullition convective pour des tubes verticaux
En ébullition libre, les transferts thermiques sont principalement sous la dépendance de la différence de températures entre la paroi et le fluide, des propriétés du fluide et de la paroi. Pour l’ébullition en convection forcée, les vitesses de chaque phase et la répartition des phases jouent également un grand rôle. C’est pourquoi, pour déterminer les transferts thermiques et les coefficients d’échange, il faudra prendre en compte ces grandeurs caractérisées par les débits et le titre.
Dans un tube vertical à flux imposé, dans lequel le fluide pénètre à la base du tube à l’état de liquide sous-refroidi
, il sort à l’état de vapeur surchauffée si le tube est suffisamment long. Les coefficients d’échange ainsi que les températures de la paroi et du fluide varient tout au long du tube en fonction des configurations d’écoulement et des conditions imposées (figure 1).
2.1 Ébullition sous-saturée
2.1.1 Différents domaines de l’ébullition sous-saturée
Un liquide sous-saturé ou sous-refroidi, qui circule dans un tube chauffé, reste à l’état monophasique tant que la température de la paroi est inférieure à la température de saturation du fluide pour la pression locale. Dans ces conditions de convection monophasique, les coefficients d’échange sont calculés à partir des lois usuelles selon le régime d’écoulement.
En régime laminaire et pour un régime établi, le coefficient d’échange, dans le cas où le flux est imposé à la paroi, est calculé à partir de la relation suivante :
En régime turbulent, il existe de nombreuses corrélations pour calculer le coefficient d’échange...
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Ébullition convective pour des tubes verticaux
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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