Experimental study of the fundamental phenomena involved in pool boiling at low pressure

Résumé :

L’ébullition est un mode de transfert de chaleur intervenant dans de nombreux systèmes thermiques ou énergétiques en raison de son efficacité. Dans certains systèmes – par exemple les évaporateurs des machines frigorifiques à sorption ou certains thermosiphons – l’ébullition se produit sous de faibles pressions. Dans ces conditions, la pression statique induite par la colonne de liquide au-dessus de la surface où les bulles de vapeur se forment n’est pas négligeable devant la pression de saturation prévalant au niveau de la surface libre, la pression locale dans le liquide étant alors la somme de la pression de saturation et de la pression statique. Dès lors, la pression et le sous-refroidissement induit par la pression ne peuvent plus être considérés comme homogènes autour des bulles, ce qui conduit à des inhomogénéités des propriétés thermophysiques dans le fluide. En conséquence, les influences relatives des différentes forces s’exerçant sur une bulle lors de sa croissance ne sont plus les mêmes que dans des conditions de pressions normales ou hautes, ce qui implique une dynamique de bulles différente : la taille, la forme ou encore la fréquence des bulles sont modifiées. Les transferts thermiques sont également affectés par ces conditions particulières.

Afin d’observer l’influence de la pression sur l’ébullition en vase d’un point de vue fondamental, ce travail s’est restreint à l’étude expérimentale de l’ébullition en site unique en régime de bulles isolées. D’un point de vue pratique, ce régime est atteint – en orientation horizontale vers le haut – sur une surface en cuivre polie miroir au centre de laquelle une cavité conique a été créée. Une fois ce site de nucléation artificiel activé, le flux imposé est ajusté de sorte à ce que seul ce site reste actif. L’eau a d’abord été testée à flux imposé et hauteur de liquide constants pour une gamme de pression s’étendant de la pression atmosphérique (Pv = 101,4 kPa (Tv = 100 °C)) jusqu’à Pv = 4,2 kPa (Tv = 30 °C). En termes de dynamique de bulles, quatre comportements ont pu être identifiés grâce à la visualisation par caméra rapide. Ainsi, selon la pression imposée, la forme des bulles change : quasi-sphériques à proximité de la pression atmosphérique, elles prennent la forme de champignon et/ou de colonne de vapeur puis uniquement de champignon et enfin de sphéroïde aplati au fur et à mesure que la pression décroît. Pour certains de ces régimes, l’emploi d’un outil de traitement d’images adapté – développé sous l’environnement MATLAB dans le cadre de cette thèse – a alors permis la quantification de plusieurs paramètres de la dynamique (temps de croissance, fréquence de détachement, volume instantané, etc.) à partir de l’exploitation des séquences vidéo enregistrées. Les évolutions de ces paramètres en fonction de la pression de travail (évaluée au niveau de la surface chauffée pour tenir compte de la pression induite par la colonne de liquide) ont donc pu être étudiées. Afin de généraliser le concept d’ébullition en vase à « basse pression » et de mieux en appréhender les phénomènes fondamentaux, de nouveaux essais ont été ensuite réalisés avec un second fluide, le cyclohexane, choisi en respectant des critères de similitude thermodynamique vis-à-vis de l’eau bouillant à des pressions inférieures à la pression atmosphérique. Les conditions opératoires des tests en cyclohexane ont été déterminées en considérant à la fois les critères de similitude thermodynamique mentionnés précédemment et les limites expérimentales du banc d’essais. Certains comportements déjà observés avec l’eau ont été retrouvés avec le cyclohexane. Par la suite, l’étude comparative des comportements des deux fluides a permis d’identifier un certain nombre de paramètres responsables des phénomènes spécifiques de l’ébullition à basse pression.

Au-delà de ces résultats, le dispositif expérimental a été amélioré afin de lui conférer de nouvelles fonctionnalités. En particulier, deux nouveaux échantillons ont été utilisés comme éléments chauffants. Le premier, muni d’un fluxmètre thermique multizone utilisé comme surface d’ébullition, permet la mesure – synchrone avec l’acquisition par caméra rapide – de la densité de flux transférée localement sous une bulle au cours de sa croissance. Le déplacement de la ligne triple lors de la croissance d’une bulle a alors pu être suivi tant visuellement que thermiquement. Le second échantillon permet quant à lui l’étude de surfaces structurées. Ainsi, plusieurs géométries de surface chauffée telles que des agencements de tunnels perforés ont été étudiées. Ces géométries sont en effet supposées plus proches de celles rencontrées dans les systèmes réels que la surface plane polie avec site artificiel précédemment testée. L’influence de ces structurations de surface sur la phénoménologie de l’ébullition à basse pression a alors pu être analysée. Les résultats obtenus ouvrent des perspectives encourageantes pour mieux analyser les comportements spécifiques de l’ébullition à basse pression afin de pouvoir les exploiter dans des applications pratiques.