Flow Boiling of binary mixtures in offset-strip fins

L’utilisation des échangeurs à plaques et ailettes a été élargie aux procédés cryogéniques tels que la liquéfaction du gaz naturel et aux systèmes de réfrigération. Les ailettes les plus utilisées dans ces évaporateurs sont les ailettes décalées.Bien que l’ébullition et l’écoulement diphasique dans les ailettes décalées ainsi que l’utilisation des mélanges binaires aient été intensivement étudiés dans la littérature, ils ont été abordés séparément. Il y a donc un manque dans la littérature vis-à-vis des études combinant à la fois les géométries d’ailettes décalées et l’étude des mélanges binaires.Afin d’étudier le couplage entre ces différents aspects, un banc expérimental a été conçu et fabriqué pour étudier la vaporisation ascendante d’un mélange binaire de R-134a et R-245fa (de composition molaire moyenne de 52% mol/mol R-134a et 48% mol/mol R-245fa). La pression opératoire dans la section d’étude est comprise entre 2 et 5 bar absolu, la vitesse massique entre 11 et 25 kg.m^(-2).s^(-1) et le flux thermique entre 9 et 23 kW.m^(-2).La section d’étude est composée d’un seul passage d’ailettes décalées de diamètre hydraulique de 1,75 mm. Ce passage est compris entre une plaque de polycarbonate permettant de visualiser l’écoulement diphasique et un bloc d’Aluminium chauffé électriquement. Une résistance chauffante en film adhésif est collée à l’arrière du vaporiseur afin de fournir la puissance nécessaire à la vaporisation du mélange binaire. Des thermocouples de type T sont insérés au milieu du passage avec les ailettes décalées pour mesurer la température du fluide et de la paroi permettant ainsi de calculer le coefficient de transfert thermique local.Différents régimes d’écoulement ont été identifiés le long de la section d’essais tels que le régime à bulles, le régime à poches et bouchons, le régime agité et le régime annulaire. L’impact des ailettes décalées sur les cartes d’écoulement a été analysé. De plus, la perte de charge mesurée a été comparée à certaines corrélations trouvées dans la littérature. Aucune de ces corrélations n’a permis de prédire les résultats expérimentaux obtenus. Ainsi, une nouvelle corrélation de la perte de charge pour le mélange binaire utilisé et pour le R-245fa pur, valable dans les conditions opératoires de cette présente étude, a été proposée. En outre, il a été observé que le phénomène du « flow reversal » : caractérisé par un écoulement en contre-courant entre la phase liquide et la phase vapeur, était présent pour toutes les campagnes d’essais dans certaines régions de la section d’étude. Quelques critères ont été introduits afin de prévenir ce phénomène. D’autres instabilités hydrodynamiques, sous la forme de mouvements pulsatoires d’un front liquide en haut de la section d’essais, ont été identifiées. Quelques explications plausibles de l’origine physique de ces oscillations ont été analysées. D’un point de vue transfert de masse et de chaleur, le coefficient de transfert thermique local a été calculé et présenté en fonction du titre en vapeur. Il a été constaté qu’aucune influence du flux massique sur les valeurs du coefficient de transfert thermique n’a été identifiée : cela suggère que l’ébullition nucléée régit le mécanisme de transfert de chaleur. De plus, aucune corrélation de la littérature n’a permis de prédire les résultats expérimentaux : une nouvelle corrélation basée sur le modèle de superposition de Chen (1966) a été introduite avec de nouvelles corrélations pour les facteurs d’intensification et de suppression valables pour le mélange binaire utilisé.