Étude expérimentale des transferts thermiques en ébullition transitoire

par Roberta Visentini

Thèse de doctorat en Energétique et transferts

Sous la direction de Catherine Colin.

Soutenue le 26-10-2012

à Toulouse, INPT .


  • Résumé

    L'ébullition est présente dans la vie de tous les jours et elle a été par conséquent le sujet de beaucoup d'études, mais pour la plupart en régimes stationnaires. Néanmoins, l'intérêt de connaître les caractéristiques de l'ébullition transitoire est aussi important notamment pour la prévention des accidents nucléaires majeurs. C'est justement dans l'optique de mieux comprendre les phénomènes d'ébullition qui se produisent lors d'un RIA (Accident d'Insertion de Réactivité) que cette thèse a été financée par l'IRSN. Le RIA est un accident qui peut résulter d'une défaillance du mécanisme de la grappe contrôlant la réaction nucléaire. La réaction s'emballe pendant quelques dizaines de millisecondes (pulse de puissance) provoquant une augmentation rapide de la température du crayon de combustible et donc l'évaporation du liquide qui l'entoure. Des tests ont été faits par le passé soit sur des crayons de combustibles, soit sur des tubes chauffés ayant les mêmes dimensions qu'un crayon, afin d'améliorer la connaissance de ce phénomène. Par contre, les mesures étaient entachées d'incertitudes importantes, dues à des techniques de mesure non appropriées à des phénomènes si rapides. L'objectif de ce travail a été de concevoir et mettre en place une expérience capable de simuler un RIA à petite échelle, pour mieux comprendre les caractéristiques de l'ébullition lorsque la paroi monte en température très rapidement. De plus, ce dispositif expérimental devait être apte à étudier des montées en température moins violentes pour améliorer la connaissance de l'ébullition transitoire en général. Cette expérience a été conçue à l'Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse. Elle est constituée d'une feuille métallique d'acier de 50µm d'épaisseur, formée en demi cylindre (8mm de diamètre et 200mm de longueur) et chauffée par effet Joule. Elle est entourée par du fluide réfrigérant HFE7000, qui permet de travailler en similitude par rapport au cas réel en eau. Le fluide est confiné par un deuxième demi cylindre en verre, ayant 34mm de diamètre. Les expériences peuvent être en vase ou avec écoulement, écoulement qui a été caractérisé par des mesures PIV. Plusieurs débits peuvent donc être employés et le sous-refroidissement du liquide est aussi ajustable. L'emploi d'une alimentation pilotable et très flexible permet d'obtenir des chauffages du métal jusqu'à 2500K/s, mais aussi des montées en température plus faibles, pour tracer des courbes d'ébullition stationnaires ou faiblement transitoires. La température de la paroi est mesurée grâce à une caméra infrarouge, couplée à des visualisations rapides et à des mesures de pression et température dans le liquide.

  • Titre traduit

    Experimental study on transient boiling heat transfer


  • Résumé

    Boiling phenomena can be found in the everyday life, thus a lot of studies are devoted to them, especially in steady state conditions. Transient boiling is less known but still interesting as it is involved in the nuclear safety prevention. In this context, the present work was supported by the French Institute of Nuclear Safety (IRSN). In fact, the IRSN wanted to clarify what happens during a Reactivity-initiated Accident (RIA). This accident occurs when the bars that control the nuclear reactions break down and a high power peak is passed from the nuclear fuel bar to the surrounding fluid. The temperature of the nuclear fuel bar wall increases and the fluid vaporises instantaneously. Previous studies on a fuel bar or on a metal tube heated by Joule effect were done in the past in order to understand the rapid boiling phenomena during a RIA. However, the measurements were not really accurate because the measurement techniques were not able to follow rapid phenomena. The main goal of this work was to create an experimental facility able to simulate the RIA boiling conditions but at small scale in order to better understand the boiling characteristics when the heated-wall temperature increases rapidly. Moreover, the experimental set-up was meant to be able to produce less-rapid transients as well, in order to give information on transient boiling in general. The facility was built at the Fluid-Mechanics Institute of Toulouse. The core consists of a metal half-cylinder heated by Joule effect, placed in a half-annulus section. The inner half cylinder is made of a 50 microns thick stainless steel foil. Its diameter is 8mm, and its length 200mm. The outer part is a 34mm internal diameter glass half cylinder. The semi-annular section is filled with a coolant, named HFE7000. The configuration allows to work in similarity conditions. The heated part can be place inside a loop in order to study the flow effect. The fluid temperature influence is taken into account as well. A flexible power supply that can generate a free-shape signal, allows to get to a wall-temperature increase rate up to 2500 K/s but also to obtain lower rates, which permits to study weaker transients and steady state conditions. The thermal measurements are realised by means of an infra-red camera and a high-speed camera is employed in order to see the boiling phenomena at the same time. From the voltage and current measurements the heat flux that is passed to the fluid is known.

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