Stabilité de l ébullition convective en minicanal : influence de l orientation de l écoulement diphasique par rapport à la gravité

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1 Stabilité de l ébullition convective en minicanal : influence de l orientation de l écoulement diphasique par rapport à la gravité David Brutin & Lounès Tadrist Ecole Polytechnique Universitaire de Marseille - Département ME - Laboratoire IUSTI Technopˆole de Chˆateau-Gombert - 5, rue Enrico Fermi Marseille - France david.brutin@polytech.univ-mrs.fr Résumé : Nous avons précédemment mis en évidence l influence du confinement sur l ébullition convective en minicanaux. Les expériences réalisées étaient basées sur un écoulement diphasique ascendant de n-pentane. Il s agit ici de présenter des résultats d ébullition convective en minicanaux d orientation variable par rapport à la gravité terrestre. Nous présentons les résultats obtenus pour un mḙme flux de chaleur ( Q W = 92 kw.m 2 ) avec une mḙme plage de vitesses débitantes (73 à 23 Kg.m 2.s 1 ) pour 5 orientations du minicanal : -9, -45,, 45 et +9. Les conséquences sur les pertes de pression, la différence de température fluide-paroi et la stabilité de l écoulement diphasique sont discutées. Abstract : We previously evidenced the influence of confinement and inlet conditions on convective boiling stability in a minichannel. The experiments were realized based on an upward n-pentane two-phase flow. Here, we present results obtained with convective boiling in a minichannel of variable orientation. We present the results obtained for a fixed heat flux provided to the minichannel ( Q W = 92 kw.m 2 ), in the range of inlet mass velocity (73 to 23 Kg.m 2.s 1 ) for 5 different minichannel s orientations: -9, -45,, 45 and +9. The consequences on the minichannel total pressure drop, fluid-wall temperature, and two-phase flow stability are discussed. Mots-clefs : Ebullition convective, Instabilités hydrodynamiques, Gravité, Oscillations 1 Introduction L ébullition en minicanaux a fait l objet d études [1]. La plupart d entre elles se focalisent sur l amélioration des transferts thermiques en étudiant les géométries, fluides utilisés et autres paramètres physiques. Les conditions d entrée et de sortie des minicanaux ont également fait l objet de travaux [2]. Pour des applications aéronautiques ou spatiales, l utilisation de minicanaux centimétriques est quasiment identique à utiliser sur Terre des minicanaux millimétriques; ceci à cause de la gravité agissant sur la formation et le détachement des bulles. Cependant, une modification artificielle de la gravité peut-être réalisée au travers de l orientation du minicanal. Avant de passer à une étude en µ-gravité pour étudier l ébullition convective en minicanaux, nous effectuons une étude de l influence de l orientation de l écoulement diphasique sur les lois d écoulements. 2 Dispositif expérimental Le dispositif expérimental général a été décrit dans de précédents articles [3, 2]. Le support tournant du minicanal est présenté sur la figure 1a. Le fluide utilisé, du n-pentane, s écoule à travers un minicanal de section rectangulaire à orientation variable. Un débit massique constant 1

2 est fourni au minicanal en utilisant un pousse seringue. L écoulement diphasique à la sortie du minicanal est condensé puis retourne au pousse seringue. L orientation est contrôlée par un niveau de type Bosh R qui permet d obtenir une horizontalité à ±.1. T4 P5 Fresh water arrival Minichannel Terrestrial gravity (g) Gravity injection supply Aluminum rod P4 T3 P3 Separator Condensor Water outflow T2 Heating cartridge P2 α = -9 α = +9 Polycarbonate P1 T1 T12 Side view α = -45 α = +45 A-A cut view L = 1 mm D = 1 mm e =.5 mm Several minichannel orientations α = Hydraulic Jack Engine d = 1 mm l = 4 mm FIG. 1 Instrumentation locale en pression et température dans le minicanal (figure a de gauche) et dispositif expérimental pour l étude de l ébullition convective (figure b de droite). On réalise l ébullition du fluide contenu dans la boucle durant plusieurs minutes pour éliminer les incondensables. Les expériences sont réalisées à partir de la procédure suivante : le flux de chaleur est fixé à 92 kw.m 2, pour une orientation donnée du minicanal et un débit massique fixé, le fluide entre dans le minicanal où il est chauffé. En fonction des conditions expérimentales, plusieurs zones peuvent être observées dans le minicanal (liquide, diphasique et vapeur). Les grandeurs instantanées sont analysées pour déterminer des fréquences caractéristiques. Les pressions et températures sont relevées pour déterminer les moyennes temporelles le long de l écoulement: différence de température surface-fluide et perte de charge. Comme on peut le voir sur la figure 1, les pressions sont prises en 5 positions le long de l écoulement tandis que simultanément les différences de températures sont prises à 4 positions. Les températures de surface sont obtenues en utilisant des thermocouples placés à 1 mm sous la surface chauffante. L incertitude sur la pression totale est de 2 Pa en utilisant des capteurs de pression Semsym R qui ont une plage de fonctionnement de 5 kpa. Ainsi, la perte de charge totale du minicanal est connue à ± 2 Pa. Les températures sont prises en utilisant des thermocouples de type K de.5 mm de diamètre avec une incertitude de ±.3 K. Ainsi, la différence de température surface-fluide est connue à ±.6 K. Toutes les données sont enregistrées à l aide d une carte National Instrument R PCI-633E. L orientation du minicanal est possible en utilisant des fixations comme présenté sur le figure 2. Ces supports permettent une orientation (α) variable de -9 à +9 en considérant la 2

3 Orientation du minicanal Angle Vue de coupe des faces chauffantes Niveau de gravité des sections du minicanal Condenseur α = -9 1 g Separateur α = g α = 1 g Minicanal Support tournant α = g α = +9 1 g FIG. 2 Photographie du minicanal avec son support tournant qui permet l orientation variable. FIG. 3 Coupe du minicanal, de la surface chauffante, de la gravité appliquée à une section de fluide pour les 5 orientations. position verticale comme référence (α = ). L angle de rotation est connu avec une précision de.1 soit donc une précision totale de.2 en rajoutant l orientation du support du minicanal. En fonction de l orientation du minicanal, 5 situations sont présentées; elles sont toutes résumées sur la figure 3. 3 Résultats expérimentaux Les résultats expérimentaux sont ici présentés en deux parties: une analyse globale basée sur les grandeurs stationnaires puis une analyse basée sur le critère de transition stable à instable et les grandeurs fluctuantes. Pour analyser l influence de l orientation du minicanal sur l écoulement diphasique, nous présentons les résultats en fonction du nombre de Reynolds pour les 5 orientations étudiées. 3.1 Perte de charge du minicanal La perte de charge moyenne ( P) est obtenue en utilisant les mesure d entrée et de sortie du minicanal. Cela inclus la perte de charge gravitaire qui atteint son maximum quand le minicanal est en position verticale (α = ) avec 12 Pa et pour α = -45 ou +45 vaut 6 Pa. Sur la figure 4, nous faisons la distinction entre les comportements stationnaires et instationnaires. Les marques noires sont utilisées pour les états observés stables et les marques à fond blanches pour les états observés instables. Le critère de transition entre stable et instable sera discuté par la suite. La même forme en N est observée pour les 5 orientations. Le maximum de perte de charge est obtenu pour α = quand l écoulement est totalement liquide avec une perte de charge gravitaire qui agit sur la phase liquide. Quand l écoulement est liquide, il n est pas possible de mettre en évidence des différences significatives suivant l orientation; ainsi comme 3

4 on pouvait le penser l orientation n a pas d influence sur l écoulement liquide. Les courbes se séparent quand l ébullition existe au sein du minicanal, c est à dire pour des nombres de Reynolds inférieurs à 75. La perte de charge totale pour des nombres de Reynolds inférieurs à 75 jusqu a 475 reste identique pour toutes les orientations sauf pour la courbe α = qui reste à 2 kpa au dessus des autres. Toutes les courbes de séparent pour des nombres de Reynolds inférieurs à 475. La perte de charge la plus faible est obtenue pour α = +45. L écart entre deux courbes extrêmes (α = et +45 ) atteint 3 kpa pour un nombre de Reynolds de 2. Cette condition opératoire est caractérisée par une perte de charge par friction diphasique entre le liquide et la vapeur maximale. On ne discute pas ici la perte de charge moyenne quand l écoulement est observé instationnaire car ceci n est pas pertinent avec des données fluctuantes. Ainsi, des différences notables au niveau de la perte de charge totale du minicanal en fonction de son orientation sont observées quand l ébullition se produit. 3.2 Température fluide-paroi La différence de température fluide-paroi est définie en utilisant 4 mesures locales de température entre la surface chauffante et le fluide. La valeur moyenne est ainsi calculée à partir de 4 valeurs locales. Ceci nous permet une comparaison des différents essais en fonction des conditions opératoires. La figure 5 présente cette différence de température moyenne pour les 5 orientations. De même que pour les pertes de pression moyennes, nous distinguons les conditions opératoires donnant lieu à des écoulements stables par des marques noires et des écoulements instables par des marques à fond blanc. Aucun écart notable n est mit en évidence pour les écoulements liquides c est à dire pour des nombres de Reynolds compris entre 9 et 3. Dans cette plage, les différences de température varient au sein de moins de 1 C à comparer avec l incertitude sur les mesures de température soit.6 C. La variation est donc moins importante que l incertitude elle même. Les différences apparaissent pour des nombres de Reynolds inférieur à 3. Les courbes se séparent d environ 2 C jusuq à ce que l écoulement devient instable. La méconnaissance des flux de chaleur locaux nous conduit à présenter les coefficients d échange déduits des valeurs moyennes à partir du flux de chaleur global. Le coefficient de transfert moyen varie pour des nombres de Reynolds supérieurs à 3 entre 8.5 et 11 kw.m 2.K 1. Quand l ébullition est instationnaire, le coefficient de transfert moyen devient inférieur à 2 kw.m 2.K 1 quelle que soit l orientation du minicanal. Les résultats sur les transferts thermiques obtenus pour les 5 orientations du minicanal ne mettent en évidence de différence majeure tant que le titre de vapeur en sortie est inférieur à.15. Pour des écoulements avec des titres vapeur supérieurs à.15, des différences notables sont observées. 4 Analyse de la déstabilisation de l écoulement La stabilité de l écoulement diphasique est analysé à partir de la dynamique de la perte de charge. Quand une ou plusieurs fréquences sont observées sur la Transformée de Fourier Rapide du signal avec des amplitudes significatives devant le bruit résiduel; cela correspond à un point de fonctionnement instationnaire. 4.1 Critère de transition La transition d écoulement stable à écoulement instable est obtenu entre deux nombres de Reynolds qui sont observés pour l un stationnaire et pour l autre instationnaire. En se basant 4

5 sur cette définition, nous définissons un diagramme de stabilité marginal qui met en évidence un nombre de Reynolds critique en fonction de l orientation du minicanal. La figure 6 met en évidence une variation significative du nombre de Reynolds critique en fonction de l orientation du minicanal. Pour les angles négatifs, le nombre de Reynolds critique est le plus élevé. Pour les angles positifs, le nombre de Reynolds critique est le plus faible. D autres expériences sont nécessaires pour confirmer cette tendance. 4.2 Fluctuations de pression Le critère de stabilité marginal varie en fonction de l orientation comme cela a été mis en évidence précédemment. Sur la figure 7, nous présentons individuellement les pertes de pressions avec leurs composantes fluctuantes pour 3 orientations. Il apparaît également des variations caractéristiques en fonction de l inclinaison. Les inclinaisons positives sont caractérisées par des fluctuations de faibles amplitudes localisées sur une très petite plage de nombres de Reynolds. Les plus fortes fluctuations de perte de charge sont observées pour l orientation verticale quand la perte de charge gravitaire est maximale. Les inclinaisons horizontales sont caractérisées par des fluctuations de faible amplitudes; les plus faibles étant observées pour α = +45. Les fréquences des fluctuations de pression observées quand l écoulement est instationnaire pour les 5 orientations ont une ou plusieurs harmoniques. Cependant, aucune variation caractéristique n est mise en évidence. 5 Conclusion Dans cette communication, nous avons présenté les résultats expérimentaux obtenus pour de l ébullition convective en minicanal de 889 µm de diamètre hydraulique chauffé par un flux de chaleur constant pour toutes les expériences ( Q W = 92 kw.m 2 ) en faisant varier la plage des débits massiques en entrée de 73 à 23 Kg.m 2.s 1 et l orientation du minicanal : -9, -45,, 45 et +9. Nous n avons pas mis en évidence d influence majeure de l orientation sur les transferts thermiques tant que l écoulement est stationnaire. Cependant, des différences significatives sont observées en fonction de l orientation pour la perte de charge totale en régime d écoulements stables et instables. Le critère de stabilité marginal entre les écoulements stables et instables est mit en évidence comme étant fortement dépendant de l orientation du minicanal (Re = 15 pour les angles négatifs, 11 pour la position vertical et 6 pour les angles positifs). Tous les résultats obtenus à la fois sur la dynamique mettent en évidence une influence non négligeable de l orientation. Les travaux préliminaires seront approfondis pour préciser l influence de l orientation sur les écoulements diphasiques et les transferts thermiques dans les minicanaux. Références [1] S. G. Kandlikar. Fundamental issues related to flow boiling in minichannels and microchannels. In Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics, and Thermodynamics - ExHFT-5, volume 1, pages Edizioni ETS - Pisa, September 21. [2] D. Brutin and L. Tadrist. Pressure drop and heat transfer analysis on flow boiling in a minichannel: influence of the inlet condition on two-phase flow stability. International Journal of Heat and Mass Transfer, 47(1-11): , 24. [3] D. Brutin, F. Topin, and L. Tadrist. Experimental study of unsteady convective boiling in heated minichannels. International Journal of Heat and Mass Transfer, 46(16): , 23. 5

6 2 P (Pa) Etat stable Etat instationnaire Orientation du minicanal Zone diphasique Zone liquide 2 Sortie vapeur FIG. 4 Variation de la perte de charge totale en fonction du nombre de Reynolds en entrée de minicanal pour les 5 orientations P (Pa) Fluctuation de pression α = -45 Stationnaire Instationnaire Twf ( C) 5 45 Orientation du minicanal Etat stable Etat instationnaire α = Stationnaire Instationnaire Fluctuation de pression 1 Re 5 IN FIG. 5 Variation de la différence de température fluide-paroi moyenne en fonction du nombre de Reynolds pour les 5 orientations Fluctuation de pression α = +45 Stationnaire Instationnaire Re C IN Zone de transition Etat observé stationaire Etat observé instationaire STATIONAIRE FIG. 7 Variation des amplitudes de fluctuations de pression comparées aux pertes de pression moyennes pour 3 orientations en fonction du nombre de Reynolds. 8 6 INSTATIONNAIRE 4 2 Orientation du minicanal FIG. 6 Diagramme de stabilité marginale: nombre de Reynolds critique en fonction de l orientation du minicanal. 6