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RÉSUMÉ
Pour assurer le refroidissement d’ambiances, de liquides, de systèmes, le recours à l’ébullition convective 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), leur taille (ébullition intratubulaire en micro, mini ou macrocanaux) et leur orientation par rapport à l’horizontale modifient eux aussi notablement les transferts thermiques en ébullition.
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Rémi REVELLIN : Ingénieur INSA Lyon, Docteur-ès-sciences EPFL (Suisse) - Professeur des universités à l’Institut national des sciences appliquées de Lyon
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Monique LALLEMAND : Ingénieur INSA Lyon, Docteur-ès-Sciences - Ex-Professeur des universités à l’Institut national des sciences appliquées de Lyon
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 systèmes de récupération d’énergie basés sur le cycle de Rankine Organique, 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 dépendants 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.
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- Version archivée 1 de avr. 2006 par Monique LALLEMAND
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Ébullition convective pour des tubes verticauxArticle inclus dans l'offre
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1. Ébullition convective
1.1 Écoulements avec changement de phase : grandeurs spécifiques
Lorsqu’un liquide s’écoule en convection forcée au voisinage d’une paroi chauffée et que les conditions imposées permettent d’obtenir un changement de phase liquide/vapeur, il s’agit d’ébullition convective. La répartition des phases diffère notablement de par le degré de fractionnement des deux phases. Différentes grandeurs permettent de préciser les proportions de chaque phase ainsi que les caractéristiques de l’écoulement. Elles sont présentées dans ce paragraphe ainsi que les relations qui les relient en considérant un écoulement co-courant des deux phases.
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Fraction de vide ou taux de vide ε
Pour un tube de section A, sur laquelle la vapeur occupe une section Av et le liquide une section
, la fraction de vide est donnée par :
où
.
-
Titre de la vapeur x
Il est défini à partir d’un rapport de débits massiques des phases :
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - 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.
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(2) - BAKER (O.) - Simultaneous flow of oil and gas. - Oil gas J., 53, p. 185 (1954).
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(4) - BERGLES (A.E.), ROHSENOW (W.M.) - The determination of forced-convection surface-boiling heat transfer. - J. Heat Transfer, 86, p. 365-372 (1964).
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(5) - 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).
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