Chapitre 11. Ébullition & Condensation

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Eugène Simon
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1 Chapitre 11 Ébullition & Condensation Soit 1 g d eau liquide: Si augmentation de 1 C q = 4.18 Joules Si augmentation de 50 C q = 209 Joules Si changement de phase: liquide à vapeur q = 2500 Joules * Le changement de phase permet d échanger beaucoup d énergie. Ébullition: Condensation: liquide vapeur vapeur liquide * Le fluide qui change de phase reste à température constante pendant le phénomène ( T = T saturation ). Transfert de chaleur Chap 11-1

2 Condensation Ébullition (Condensation) (Ébulition) Ébullition en piscine Ébullition en convection forcée Transfert de chaleur Chap 11-2

fait varier la température dans le tube vapeur Condensée = q On

3 Ébullition en piscine et courbe d ébullition Exemple #1: Soit l expérience suivante Eau T S Vapeur saturée à # pression ( # T) On fait varier la température dans le tube vapeur Condensée = q On mesure le flux transféré, q. b 3 4 a 2 c 1 T T S SAT Transfert de chaleur Chap 11-3

4 1 a 2 b 1 : Convection naturelle simple. a : Début de l ébullition. 2 : Ébullition nucléée; les bulles se forment sur des sites préférentiels. b : Flux maximal en ébullition nucléée. Il y a trop de bulles, le liquide froid arrive difficilement sur la surface a 2 b 3 4 c 3 : Formation d un film de vapeur (mauvaise conductivité; q ). c : Tout le tube est recouvert de vapeur; point de la valeur minimum du flux. 4 : Ébullition par film stable. Le rayonnement débute q Transfert de chaleur Chap 11-4

5 Images de différentes zones a Images de différentes zones b Transfert de chaleur Chap 11-5

6 Images de différentes zones c Transfert de chaleur Chap 11-6

7 Pour l ébullition nucléée : Flux échangé: q Flux critique: 1 2 " g L-V C P,L S- SAT S = T T L hlv n Csf hlv Pr L q = ( ) ( ) g ( - ) hlv V V " L V C système fluide-surface C sf n 3 Masse évaporée: m ( kg/s ) A q h LV eau-cuivre rugueux eau-cuivre poli eau-acier inox poli mécaniquement eau-nickel benzene-chrome alcool éthylique-chrome n pentane-cuivre poli Exemple #2: avec une résistance électrique: on contrôle le flux et on mesure la température du fil - Au lieu d une conduite de vapeur on prend un fil de Ni.Cr (résistance électrique) - On règle le flux et on mesure T s Transfert de chaleur Chap 11-7

Exemple #2: avec une résistance électrique: on

- On règle le flux et on mesure T s - Dès que qˈ >

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Ammerman, Chang The University of Texas at Arlington

Augmentation marquée de T S ; le fil devient de

8 Exemple #2: avec une résistance électrique: on contrôle le flux et on mesure la température du fil - On règle le flux et on mesure T s - Dès que qˈ > qˈ0 alors saut de température (b d) qui peut atteindre près de 1000 K FUSION DU FIL q imposé 1 a 2 b d 3 «Burn out» Crise d ébullition T mesuré Hong, You, (a) q = 37 W/cm 2 (b) q = 61 W/cm 2 Début de l ébullition; départ des premières bulles. Ammerman, Chang The University of Texas at Arlington Fluorinert FC-72 (c) q = 90 W/cm 2 (d) q = 99 W/cm 2 Augmentation marquée de T S ; le fil devient de couleur rouge. (e) q = 107 W/cm 2 (f) q = 107 W/cm 2 «Burn out»; le fil de nickel est en fusion. Transfert de chaleur Chap 11-8

9 Ébullition en convection forcée ébullition h TP = h NB + h C convection Formation des bulles P -P int ext R P ext P int R Renouvellement de la couche limite thermique: bon transfert Transfert de chaleur Chap 11-9

10 Condensation film goutte Homogène (vitesse - pression) Contact direct Bon transfert Condensation mais traitement de surface nécessaire En goutte En film Transfert de chaleur Chap 11-10

11 Condensation Condensation en film laminaire sur une plaque verticale de longueur L: ( ) 3 hl L L g L-V hlv L Nu = = kl L kl ( T SAT -T S) 1 4 où hlv = hlv CPL ( T SAT - T S ) voir la démonstration en exercice Condensation en film laminaire sur un cylindre horizontal ou une sphère: h D =C ( ) L g L-V hlv k L D ( T SAT -T S) 3 L 1 4 avec C = C = pour une sphère pour un cylindre Masse de vapeur condensée: m ( kg/s ) = h A ( T SAT -T S) h LV hlv = hlv CPL ( T SAT - T S ) Transfert de chaleur Chap 11-11

Condensation en film laminaire sur un ensemble vertical de N tubes : h DN = h N, D 1 4 La décroissance du coefficient s explique par l augmentation de l épaisseur du film liquide qui ruisselle sur

12 Condensation en film laminaire sur un ensemble vertical de N tubes : h DN = h N, D 1 4 La décroissance du coefficient s explique par l augmentation de l épaisseur du film liquide qui ruisselle sur les tubes inférieurs. Cette corrélation peut cependant sous estimer le transfert : le ruissellement d un tube sur l autre peut contribuer à l augmentation du coefficient h. Transfert de chaleur Chap 11-12

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