Amélioration des transferts de chaleur en ébullition naturelle convective par effet de confinement

= Heat transfer enhancement during natural convective boiling in a narrow space

• Auteur / Autrice : Jocelyn Bonjour
• Direction : Monique Lallemand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique et Energétique
• Date : Soutenance en 1996
• 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 : Examinateurs / Examinatrices : Monique Lallemand, Dominique Gentile, Michel Lebouché, André Lallemand, Alain Le Douaron, Christophe Marvillet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Gentile, Michel Lebouché

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anémomètres à fil chaud

Ébullition

Convection

Résumé

Ce travail concerne l'amélioration des échanges de chaleur au cours de l'ébullition dans un espace confiné où le fluide est mis en mouvement sous l'effet des forces de gravité (effet thermosiphon). Une étude expérimentale de l'ébullition du RI 13 dans un canal rectangulaire vertical dont les côtés sont ouverts a permis de mettre en évidence que, pour les faibles flux, le confinement peut augmenter les coefficients d'échange thermique jusqu'à 300 % par rapport à l'ébullition libre. Cependant, aux forts flux, il entraîne une dégradation des échanges et une diminution du flux critique. L'influence de la pression a également été étudiée : une augmentation de celle-ci améliore les échanges mais ne permet pas de compenser la réduction du flux critique due au confinement. Une analyse des mécanismes de transfert de chaleur intervenant en ébullition confinée a été réalisée. Grâce à la technique de l'anémométrie à fil chaud pour la détection des phases, trois régimes d'ébullition confinée ont été déterminés à partir de critères objectifs (taux de présence de la vapeur, temps et fréquence de passage des bulles,. . . ). Une carte d'écoulements originale a été proposée afin d'identifier ces différents régimes. Les lois d'échange thermique établies, liées à ces régimes, ainsi que la corrélation proposée pour la prédiction du flux critique donnent des résultats théoriques en bon accord avec nos propres résultats expérimentaux et ceux de la littérature. Enfin, une étude locale et microscopique de l'ébullition confinée sur un site artificiel isolé a permis de confirmer l'importance des principaux mécanismes de transfert de chaleur.

This work deals with the heat transfer enhancement during boiling in a confined space in which the fluid circulates under the gravity forces action (thermosiphon effect). An experimental study of the boiling of R-113 in a rectangular vertical channel, whose sides are left open, has been carried out. For low heat fluxes, when the channel gap-size decreases, the heat transfer coefficient can be increased up to 300 % in comparison with unconfined pool boiling. However, for high heat fluxes, the decrease in the channel gap-size leads to a deterioration of the boiling heat transfer and a decrease in the critical heat flux. A pressure increase implies a heat transfer enhancement but cannot compensate the decrease in the critical heat flux. The main physical mechanisms involved in the boiling in a confined space are analysed and described. Three confined boiling regimes are determined from objective criteria (void fraction, bubble passing time or frequency,. . . ) obtained by means of the hot wire anemometry technique for phase discrimination. A new flow pattern map is proposed in order to identify these regimes. Various heat transfer correlations, the choice of which depends on the regimes, and a correlation for the prediction of the critical heat flux are established. The theoretical results are in good agreement with our experimental results, but also with other results published in the literature. Finally, a local and microscopic study of the confined boiling from an artificial isolated nucleation site led us to confirm the importance of the main heat transfer mechanisms.