Ebullition de l'eau à basse pression : Le rôle du sous-refroidissement et des propriétés thermophysiques sur la dynamique des bulles et le transfert de chaleur

Boiling of water at low pressure : The role of subcooling and thermophysical properties on the bubble dynamics and heat transfer

• Auteur / Autrice : Karolina Wojtasik
• Direction : Jocelyn Bonjour, Bartosz Zajączkowski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique et énergétique
• Date : Soutenance le 02/07/2021
• Etablissement(s) : Lyon en cotutelle avec Wrocław University of Science and Technology
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône) - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon / CETHIL
• Jury : Président / Présidente : Dariusz Butrymowicz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jocelyn Bonjour, Bartosz Zajączkowski, Dariusz Butrymowicz, Magdalena Piasecka, Anthony Robinson, Florine Giraud, Chorowski Maciej, Romuald Rullière
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Magdalena Piasecka, Anthony Robinson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ébullition

Bulles -- Dynamique

Évaporation

Basses températures

Mots clés libres

Energétique

Ebullltion

Bulles isolées

Surface rugueuse

Hydrodynamique

Dynamique des bulles

Transfert thermique

Flux thermique

Evaporation

Basse pression

Piscine en ébullition

Energetics

Boiling heat transfer

Isolated bubbles

Rough surfaces

Hydrodynamic

Bubble dynamics

Thermal transfer

Heat flux

Evaporation

Low pressure

Pool boiling

Résumé

Le processus d'ébullition est un mode de transfert de chaleur courant utilisé dans diverses applications, par example en réfrigération. Récemment, il y a eu un intérêt croissant pour le développement de technologies de refroidissement efficaces qui utilisent des réfrigérants écologiques. L'eau pourrait être l'une d'entre elles, mais elle nécessite de fonctionner à basse pression. Près du point triple, la physique de l'ébullition diffère considérablement de la pression atmosphérique. Bien que les connaissances sur l'ébullition subatmosphérique se développent, bon nombre de ses aspects restent inconnus. Afin d'étendre les connaissances fondamentales concernant le processus d'ébullition, plusieurs expérimentales ont été menées. Initialement, les expériences ont été menées sur une surface polie avec une seule cavité, puis sur une surface rugueuse avec plusieurs sites de nucléation. L'ébullition a eu lieu sur une paroi chauffée équipée d'un capteur de flux thermique. La pression de vapeur et l’hauteur de liquide a été variée : la pression statique induite crée un sous-refroidissement du liquide. L'analyse de la dynamique de bulles isolées a permis de découvrir trois types de bulles et d'expliquer leurs phénomènes thermiques associés. Des méthodes statistiques ont été appliquées pour l'ébullition sur une surface rugueuse en raison du caractère aléatoire de ce processus. Associées à la visualisation par caméra, ces méthodes ont permis de distinguer quatre régimes d'ébullition distincts, dont les conditions d'occurrence ont été résumées grâce à une carte de régime d'ébullition. Pour améliorer le transfert de chaleur par changement de phase à basse pression, une alternative à l'ébullition pourrait consister à pulvériser plusieurs gouttelettes sur la paroi chauffée. Il y a un manque de connaissances concernant le processus d'évaporation dans de telles conditions. Les dernières expériences ont porté sur l'évaporation d'une goutte ou d'une couche liquide à partir d'une surface horizontale. Différents processus thermiques se produisant lors du phénomène d'évaporation ont été décrits.

Boiling process is a common heat transfer mode used in various applications, among which air-conditioning and refrigeration. Recently, there has been a sparkling interest in the development of efficient cooling technologies which utilize environmentally-friendly refrigerants. Water could be one of them, but it requires to operate under low pressure. Close to the triple point, the physics of boiling significantly differs from atmospheric pressure. Although the knowledge on subatmospheric boiling is slowly growing, many of its aspects remain unknown. In order to extend the fundamental knowledge concerning the boiling process, several experimental activities were carried out. Initially, the experiments were conducted on a polished surface with single cavity, and then on a rough surface with multiple nucleation sites. Boiling took place on a heated wall equipped with a novel heat flux sensor, under various vapor pressures. The height of liquid in the experimental reservoir was also varied: the induced static pressure creates a significant liquid subcooling that was shown to strongly affect the boiling behavior. The analysis of the dynamics of isolated bubbles allowed to discover three types of bubbles and explain their associated thermal phenomena. Statistical methods were applied for boiling on a rough surface because of the random character of this process. Along with camera visualization, these methods allowed to distinguish four distinct boiling regimes, whose conditions of occurrence were summarized owing to an original boiling regime map. To enhance the phase change heat transfer at low pressure, an alternative option to boiling could be to spray multiple droplets on the heated wall. There is lack of knowledge concerning evaporation process at subatmospheric conditions. For that purpose, the last experiments were focused on the evaporation of a drop or a layer of liquid from a horizontal surface. It allowed to describe the various thermal processes occurring during evaporation phenomenon.