Etude expérimentale des transferts thermiques en ébullition libre et en régime transitoire

= Experimental study of pool boiling heat transfer and transient regime

• Auteur / Autrice : Sébastien Héas
• Direction : Monique Lallemand, Martin Raynaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique et thermique
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Michel Lance
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Monique Lallemand, Martin Raynaud, Michel Lance, Rahal Boussehain, Didier Delaunay, Marie-Christine Duluc, André Lallemand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rahal Boussehain, Didier Delaunay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Résumé

Le présent travail concerne l'étude expérimentale des transferts de chaleur au cours de l'ébullition libre du pentane à la saturation, qui a lieu sur la surface supérieure horizontale d'un bloc de cuivre cylindrique massif. Afin d'étudier l'ébullition en régime transitoire, un échelon de flux est imposé aux résistances chauffantes, loin de la surface de l'échange. La température et la densité de flux surfaciques sont estimées en fonction du temps à l'aide d'une méthode de calcul inverse. On note des différences notables entre les courbes d'ébullition en régime permanent et cellles correspondant aux régimes transitoires. La surchauffe de déclenchement de l'ébullition en régime transitoire est supérieure à celle obtenue en régime permanent. Compte-tenu de ces surchauffes élevées, une quantité importante d'énergie est stockée dans l'échantillon pendant le régime de convection naturelle de telle sorte que le flux atteint après le déclenchement de l'ébullition peut devenir supérieur au flux critique. Une courbe d'ébullition en régime transitoire dépend fortement des conditions initiales de l'échantillon. C'est pourquoi, une procédure préliminaire à chaque essai a été mise au point afin que les sites de nucléation de la surface d'échange soient toujours activés dans les mêmes conditions. Nous avons mis en évidence plusieurs paramètres influençant le retard au déclenchement de l'ébullition : le temps d'attente entre la procédure préliminaire et l'échelon de flux imposé, le sous-refroidissement initial de la paroi et la vitesse de chauffage. Il est montré qu'avec une faible vitesse de chauffage, il est possible d'obtenir une courbe d'ébullition identique à celle du régime permanent en 30 min au lieu de 8h en régime permanent.

Experiments of transient pool boiling from the upper part of a cylindrical copper sample having a large thermal inertia have been carried out with pentane in saturated conditions. A step heat input is supplied to the cartridge heaters away from the boiling surface. Heat flux and wall superheat are obtained by an inverse heat conduction method. Transient and steady boiling curves are strongly different. Transient incipient boiling superheat is higher than steady one. So, a great amount of energy is stored in the copper sample during the natural convection regime and critical heat flux can be overshot after boiling incipience. A transient boiling curve depends strongly on the initial wall superheat. So, a preliminary procedure has been developed to activate nucleation sites of the surface always in the same conditions to control initial wall superheat. Several parameters that influence the incipience of boiling have been investigated : a waiting period between the preliminary procedure and the heat input, initial subcooling of the surface and heat input level. It has been shown that a boiling curve can be obtained in 30 mn rather than 8 h in steady-state regime.