Boiling on a Tube Bundle: Heat Transfer, Pressure Drop and Flow Patterns

Résumé :
La complexité des écoulements diphasique en ébullition dans un faisceau de tubes présente de nombreux défis pour la compréhension des phénomènes physiques. Il est important de quantifier l’effet des flux de chaleur sur les nombreux mécanismes afin de mieux décrire les performances des tubes en fonction des conditions opératoires. Pour cette étude, l’installation “Bundle boiling” au Laboratoire de Transfert de Chaleur et de Masse (LTCM) a été utilisée pour mesurer le transfert de chaleur par ébullition sur des tubes simples et dispos´es en faisceau. Des mesures de pertes de charge ont ´également été réalisées pour des conditions adiabatiques et non adiabatiques. Deux nouveaux tubes améliorés fabriqués par Wolverine Tube Inc. (Turbo-B5) et Wieland-Werke AG (Gewa-B5), ont été étudiés en ébullition avec les fluides R134a et R236fa. Les tests ont ´et´e effectuées à des conditions opératoire classiques: températures de saturation Tsat, débits et flux de chaleur allant respectivement de 5 à 15 °C, de 4 à 35 kg/m²-s et de 15 à 70 kW/m². Une étude visuelle des différents écoulements a été menée à l’aide d’un endoscope inséré dans l’arrangement de tubes.

Des mesures de l’atténuation de la lumière d’un faisceau laser à travers l’écoulement diphasique et des mesures de fluctuation de la pression locale par capteur piézo-électrique ont aussi été faites afin d’aider à la caractérisation de l’´ecoulements. Les phénomènes physiques qui régissent l’évaporation sur les tubes améliorés et leurs effets sur les performances du faisceau de tubes ont été étudiés. Une nouvelle méthode basée sur une analyse théorique de l’´evaporation en couche mince a été utilisée pour proposer un nouveau paramètre de corrélation. Une nouvelle base de données de coefficients locaux de transfert de la chaleur a été obtenue et ensuite utilisée pour concevoir de meilleures méthodes de prédiction pour l’ébullition en vase et l’évaporation dans un faisceau de tubes, ainsi que pour prévoir la formation de zones sèches.

Les mesures de perte de charge et la réduction des données ont été révisées et utilisées pour développer de nouvelles prédictions des pertes de charge en conditions adiabatiques et non adiabatiques.