Instabilité thermo-hydraulique d un écoulement liquide-vapeur dans un mini-canal vertical.

Transcription

1 Congrès français de Thermique, SFT 2001, Nantes, mai 2001 Instabilité thermo-hydraulique d un écoulement liquide-vapeur dans un mini-canal vertical. David BRUTIN, Frédéric TOPIN, Lounès TADRIST Laboratoire de l'institut Universitaire des Systèmes Thermiques Industriels (I.U.S.T.I.) U.M.R Université de Provence - Technopôle de Château-Gombert 5, Rue Enrico Fermi Marseille Cedex 13 France Tel : +33 (0) , Fax : +33 (0) , dbrutin@iusti.univ-mrs.fr Résumé - Cette étude expérimentale concerne l analyse du comportement d un écoulement avec changement de phase liquide-vapeur dans un canal de petite section hydraulique. La cellule d essai utilisée est un canal rectangulaire traversé par un écoulement vertical ascendant. L écoulement diphasique est visualisé et analysé à partir des mesures de pression et de températures. Nous mettons en évidence plusieurs comportements thermo-hydrauliques du fluide suivant les conditions opératoires. Une étude spécifique a été conduite pour caractériser le régime oscillatoire. Nomenclature T Température, C D H Diamètre hydraulique, m L Longueur, m l Largeur, m h Coefficient d échange, W.m -2.K -1 e Epaisseur, m g Gravité, m.s -2 p Pression, Pa Re Reynolds Symboles grecs ρ Masse volumique, Kg.m -3 χ Titre λ Coefficient de perte de charge µ Viscosité dynamique, Pa.s Indices F Fluide v Vapeur 1. Introduction Lors d un écoulement diphasique en convection forcée dans une conduite de faible diamètre hydraulique, il peut apparaître une instabilité venant perturber les transferts de chaleur et de masse. Les conditions thermo-hydrauliques déclenchant de telles instabilités sont ici mises en évidence et étudiées. Le but de ce travail est à la fois d obtenir des données de référence, telles que le coefficient d échange global et la perte de charge de l écoulement diphasique, dans un canal de diamètre hydraulique millimétrique. L objectif ultérieur est d acquérir une connaissance des phénomènes élémentaires qui gouvernent les transferts de chaleur et de masse pendant le changement de phase à cette échelle. En effet, l apparition de l instabilité au sein d un écoulement diphasique réduit brusquement les transferts de chaleur du fait de la création d un film vapeur entre le liquide et la paroi. Nous présentons ici nos résultats traitant des mécanismes de l instabilité observée dans un mini-canal rectangulaire qui sont similaires à ceux observés à la fois dans des milieux poreux [1], mais également dans des canaux étroits de plus grande longueur [2].

2 La majeure partie de la littérature traite de l utilisation des mini-canaux à des fins industrielles. Quelques auteurs s orientent vers l étude des transferts au sein d une telle géométrie où le confinement joue un rôle prépondérant [3]. Kew & Cornwell [4], en 1996, ont proposé un modèle pour décrire les fluctuations de pression au sein de canaux cylindriques. Aligoodarz & al., en 1998 [3], ont observé le comportement des fluctuations de température suivant la section des canaux. 2. Dispositif et procédure expérimentale Le principe retenu pour la présente étude est un canal chauffé par la face arrière, traversé par un fluide en écoulement vertical ascendant (Fig. 1). En régime d ébullition, le fluide génère des bulles dont la taille varie en fonction du degré de confinement ; il apparaît alors des comportements thermo-hydrauliques particuliers que nous étudions Description générale Le dispositif est composé de cinq parties : le canal, le séparateur, le condenseur, le piston double-effet et le rhéostat (Fig. 2). Ainsi élaboré, ce dispositif nous permet de contrôler les paramètres relatifs au chauffage et au fluide (température d entrée dans le canal, flux de chaleur en face arrière, débit volumique en entrée de canal). Les cellules d essai sont rectangulaires de différentes dimensions : 0,5 X 4 X 50 mm, 1,3 X 8 X 60 mm, 0,5 X 5 X 200 mm. Les canaux sont gravés dans des barres d aluminium qui sont ensuite recouvertes de plaques de polycarbonate. Une résistance électrique assure un chauffage «homogène» de la face arrière du canal tandis que les observations sont réalisées par la face avant Instrumentation en pression et température L instrumentation est basée sur l acquisition simultanée des pressions et températures. On relève les paramètres du fluide en écoulement à différents niveaux du canal. Plusieurs configurations de capteurs sont définies en fonction des dimensions du canal, une d entre elles permet d obtenir un profil de température de la paroi le long de l axe principal de l écoulement. Il en est de même pour les profils de pression Procédure expérimentale Le fluide dans la boucle est chauffé afin d obtenir une ébullition nucléée pendant quelques minutes pour éliminer les incondensables. Puis, le fluide est ramené à son état initial. Les expériences sont réalisées suivant la procédure suivante : pour un débit volumique de l entrée du canal et une puissance de chauffe fixés, les températures et pressions sont acquises en permanence à différentes fréquences (de 100 à 500 Hz) en fonction de la dynamique du phénomène. Après obtention d un régime globalement stationnaire pendant un temps ad hoc, un pas d incrémentation de la puissance fournie est réalisé. Le nouvel état est étudié. Cette procédure est répétée pour chaque débit d entrée de canal. Un post-traitement est réalisé sur l ensemble des données acquises. Après avoir identifié la plage stationnaire de chaque condition opératoire (débit fluide, puissance de chauffe), une moyenne temporelle des pressions et températures est réalisée. Nous en déduisons ainsi la perte de charge, la surchauffe locale et le titre vapeur. Puis, nous réalisons une analyse dynamique des paramètres (températures et pressions), dont nous déterminons la fréquence et l amplitude des oscillations.

3 3. Résultats 3.1. Ecoulement monophasique : Evaluation des pertes de charge La perte de charge dans des conduites de diamètres hydrauliques inférieures au millimètre fait l objet de nombreux travaux. Nous avons mesuré le coefficient de perte de charge d un canal de 20 cm de long, 4 mm de large et 0,5 mm d épaisseur pour Re [170 ; 750] (Fig. 5) et Re [3500 ; 9500] (Fig. 6). Nous avons ensuite comparé les valeurs expérimentales obtenues : aux corrélations de la littérature [5], ainsi qu aux résultats de simulations numérique. En régime laminaire, l expression du coefficient de perte de charge est de la forme : λ = où K est fonction de la géométrie de la canalisation. K = 64 pour un tube circulaire, K = 83,5 pour une conduite rectangulaire de rapport d aspect 8 ( l/e voir Fig. 1) [5]. A partir de nos résultats expérimentaux, nous obtenons K = 47,2. Les résultats de la résolution numérique des équations de Navier-Stokes en régime laminaire [7] conduisent à K = 54,9. Nos résultats expérimentaux et numériques sont en accord, alors que les valeurs issues des corrélations sont nettement surestimées (Fig. 5). Pour des nombres de Reynolds supérieurs à 3500, le coefficient de perte de charge de nos mesures expérimentales est sensiblement constant : λ = 0,017 +/ Cette valeur s écarte notablement des corrélations usuelles (Fig. 6). Au vu de ces résultats, les corrélations de perte de charge ne semblent pas applicables à notre géométrie. K Re 3.2. Ebullition convective Description de l instabilité thermohydraulique Pour un débit donné et pour un flux de chaleur élevé, deux zones peuvent être observées dans le canal. Au bas de la cellule d essai, le fluide est liquide. Proche de la sortie, une zone diphasique se développe. Dans ces conditions, à la fois la température et la pression restent stables et égales à leur valeur de saturation à la sortie du canal. Passé une certaine valeur critique du flux de chaleur, un régime oscillatoire apparaît. La limite entre la zone liquide et la zone diphasique se déplace alternativement dans le canal. Le phénomène est caractérisé par des fluctuations de température et de pression avec des périodes caractéristiques. Au dessus d une seconde valeur critique du flux de chaleur, ce phénomène disparaît et, de nouveau, un régime stable est observé. Nous délimitons, ainsi, la région instable en fonction des conditions opératoires. Une analyse spectrale (Fig. 3) des signaux de pression est réalisée pour caractériser l écoulement fluctuant dans le canal. Nous avons étudié l influence des conditions en amont et en aval du canal sur le comportement des oscillations du fluide.

4 Influence des conditions en amont du canal Nous présentons ci-dessous l influence de la rigidité des conduites de liaison entre les différents éléments de la boucle (Tableau 1). Tableau 1 : Différentes gammes d oscillations fonction des conditions amonts. e = 1 mm e = 0,5 mm < 10 Hz > 10 Hz < 10 Hz > 10 Hz Vérin & Tuyaux rigides - 20 Hz faible amplitude - 20 Hz très instables Vérin & Tuyaux souples 5-7 Hz 20 Hz faible amplitude - 20 Hz Pompe péristaltique 3 Hz - -? Dans le cas où les tubes de raccordement entre la pompe, le canal et le condenseur, sont flexibles (compliants), les oscillations présentent des fréquences inférieures à 10 Hz et des amplitudes élevées. Dans ces conditions, les tuyaux de liaison peuvent accumuler (resp. déstocker) localement le fluide et permettre des fluctuations de débit en entrée du canal. Cet effet capacitif permet la propagation d éventuelles fluctuations de débit générées en tout point de la boucle. Dans le cas de tuyaux rigides, les oscillations ont des fréquences caractéristiques supérieures à 10 Hz et de faibles amplitudes. Pour vérifier que la compliance des tuyaux et à l origine des fréquences inférieures à 10 Hz, nous avons remplacé les tubes flexibles par des tubes rigides. Ces oscillations disparaissent au profit d oscillations de plus faibles amplitudes et de plus hautes fréquences. L insertion d un vase tampon en amont du canal produit le même phénomène oscillatoire que dans le cas des tubes flexibles Influence des conditions en aval du canal Nous avons étudié l influence de la longueur de la conduite de liaison canal-condenseur sur le comportement thermo-hydraulique du fluide. Les oscillations apparaissent pour des puissances fournies supérieures lorsque la longueur de la conduite croît. Dans ces conditions, les fréquences d oscillation ne sont pas modifiées, et la température de la paroi chauffée du canal n est pas changée. Sur la figure 4, on note une augmentation progressive de la température de paroi, en fonction du titre, dans la première zone stable, alors que, dans la zone instable, on met en évidence une brusque augmentation de la température de surface en fonction du titre vapeur. 4. Conclusion & perspectives Les coefficients de perte de charge déduits de nos mesures et des simulations numériques en régime laminaire sont en accord, mais sont différentes des corrélations disponibles dans la littérature. Pour des valeurs du nombre de Reynolds plus élevées, nos mesures s écartent notablement des corrélations usuelles. Ces premiers résultats seront confirmés dans le cadre d une étude dédiée aux lois de perte de charge dans des canaux de petits diamètres hydrauliques.

5 L instabilité thermo-hydraulique mise en évidence présente deux comportements spécifiques : un premier propre au phénomène d ébullition convective dans l espace confiné ; le second semble résulter d un couplage avec les autres éléments de la boucle par l intermédiaire des tuyaux de raccordement. Ce travail va être poursuivi par une analyse de stabilité, pour une meilleure compréhension du couplage boucle-canal et par la mise en œuvre d une nouvelle génération de mini-canaux. Références [1] Miscevic M., Topin F., Tadrist L., Pantaloni J. Experimental study of coupled heat and mass transfer with phase change in a sintered fibrous channel crossed by a non-darcean fluid flow. IHTC 11, Séoul, Korea, vol. 4, 1998, pages [2] Nair s., Lele S., Ishii M., Revankar S. T. Analysis of flow instabilities and their role on critical heat flux for two-phase downflow and low pressure systems. International Journal of Heat and Mass, vol 39, 1996, pages [3] Kenning D. Aligoodarz M., Youyou Y. Wall temperature and pressure variations during flow boiling in narrow channels. IHTC 11, Séoul, Korea, vol. 2, 1998, pp [4] Kew P. A., Cornwell K. On pressure fluctuations during boiling in narrow spaces. European Thermal-Sciences and 14 th UIT National Heat Transfer Conference, 1996, pages [5] Mémento des pertes de charge vol 13, I. E. Idel cik [6] Mohiuddin Mala G., Dongqing Li, Dale J.D. Heat transfer and fluid flow in microchannel, Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 40, 1997, pages [7] FLUENT Software 5.3 Présentation des figures l Chauffage à flux constant par la face arrière L Face transparente e e Modèle physique.

6 VAPEUR Séparateur LIQUIDE Condenseur Piège à vapeur Canal Clapet anti-retour Volume capacitif Piston Moteur Figure 2 : Schéma de principe du dispositif expérimental. Figure 3 : F.F.T. du signal de pression aux bornes du canal. Figure 4 : Evolution de la température de surface du canal en sortie. Figure 5 : Evolution du coefficient de perte de charge pour Re [170 ; 750]. Figure 6 : Evolution du coefficient de perte de charge pour Re [3500 ; 9500].