Analyse locale des transferts thermiques autour d une bulle unique de vapeur

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1 Analyse locale des transferts thermiques autour d une bulle unique de vapeur Antoine DIANA 1, 2*, David BRUTIN 1, Ted STEINBERG 2 1 Aix Marseille Université IUSTI, UMR 7343 CNRS 5 Rue Enrico Fermi Technopole de Château Gombert Marseille cedex 13 France. 2 Phenomena in Reduced Gravity Laboratory, Faculty of Built Environment and Engineering, Queensland University of Technology, Brisbane, Queensland, Australia. * (auteur correspondant: antoine.diana@polytech.univ-mrs.fr) Résumé Cette étude expérimentale de l ébullition convective est focalisée sur la croissance et le détachement de bulles uniques de vapeur ainsi que sur la variation du champ de température à l interface entre la bulle et la surface chauffante. L originalité de ce travail réside dans l utilisation simultanée de deux cameras visible et infrarouge qui nous permettent de déterminer et d analyser la dynamique de croissance et les caractéristiques thermiques de la bulle de vapeur en croissance. Nomenclature Lettres romaines L v Chaleur latente de vaporisation, kj.kg -1 Q Flux thermique, W.cm -2 P Puissance de chauffe, W T Température, C Q v Débit volumique de fluide, ml.min -1 t Temps, s Lc Longueur capillaire, m d Diamètre de mouillage, m h Hauteur, m V Volume, mm 3 C p Chaleur massique, J.kg -1.K -1 L v Chaleur latent de vaporization, kj.kg -1 Lettres grecques ρ Masse volumique, kg.m -3 µ Viscosité, mpa.s -1 Tension de surface, mn.m -1 Conductivité thermique, W.m -1.K -1 Indices et exposants sat Saturation p Paroi 1. Introduction La compréhension du phénomène de changement de phase due à l ébullition convective reste un important sujet de recherche du fait de son très large champ d applications. La modélisation et la compréhension des échanges de chaleurs lors de l ébullition nucléé est essentielle pour les applications industrielles. Bien que beaucoup d études aient été menée dans ce domaine, proposant différentes corrélations, le problème est loin d être résolu puisqu elles ne produisent pas de résultats satisfaisants pour une large gamme de paramètres gouvernant le phénomène d ébullition nucléée. Un des problèmes restant à résoudre concerne la phase de croissance et de détachement des bulles de vapeur. La majorité des études sont focalisées sur la croissance de bulles en milieu statique [1-2], plutôt que sur la croissance de bulles en ébullition convective. On notera toutefois que quelques travaux traitant du cycle de croissance-détachement lors de l ébullition convective sont disponibles comme Serret et al. [3] qui ont étudié l influence de la gravité sur diamètre de détachement des bulles et sur la température du substrat chauffant dans du HFE 7100 ou de Duhar et al. [4] qui ont analysé le taux de croissance de bulles de vapeur dans un écoulement de N-pentane dans un canal.

2 L objectif de cette étude est de déterminer et d analyser la croissance, le détachement et les transferts de chaleur associés, à l échelle d une bulle unique de vapeur dans un écoulement légèrement sous refroidi. Le travail présenté ici porte sur l étude expérimentale de la nucléation et la croissance 2D d une bulle dans une cellule de Hele-Shaw. Ce type de cellule expérimentale a déjà été utilisé lors de différentes études expérimentales telles que l étude de la variation d angle de contact lors de la croissance de bulles [5] ou l étude de l effet Marangoni [1]. L utilité de cette configuration réside également dans sa géométrie puisqu elle permet d éviter les aberrations optiques dues un des gradients de températures élevés tout en permettant une transmission dans l infrarouge due à la faible épaisseur de fluide semitransparent. En effet, Barthès [6] et Kennings [7] ont montré qu il existe des phénomènes qui induisent une mauvaise localisation des interfaces lors de l ébullition, faussant ainsi les résultats obtenus. De plus, la géométrie de cette cellule expérimentale réduit les problèmes dus aux effets tridimensionnels (la bulle est créée et maintenue dans le même plan lors de tout le cycle de nucléation-croissance-détachement). L utilisation d une camera infrarouge d un coté et d une camera visible de l autre coté de la cellule nous a permis de remonter et de relier les caractéristiques géométriques de la bulle aux variations de températures dans et autour de la bulle de vapeur. 2. Dispositif expérimental Figure 1 : Schéma de principe de la boucle fluide dans l enceinte de confinement. L étude de la croissance d une bulle de vapeur est effectuée dans une boucle fluide située dans une enceinte de confinement qui fonctionne comme suit : le fluide, stockée dans deux seringues de 10 ml chacune, est injecté à l aide d un pousse-seringue double-sens. Dans un premier temps, le fluide est préchauffé par deux éléments Peltier à une température proche de la température de saturation (environ 2 C sous la saturation), puis le fluide arrive dans la cellule d essai où quelques watts seront suffisants pour amorcer l ébullition. Le liquide et les bulles de vapeur quittent ensuite la cellule d essais vers les condenseurs où le gaz redeviendra

3 liquide. Un vase d expansion assure une pression constante au sein de la boucle fluide et un piège à liquide a été rajouté en cas de rupture de la membrane. Une description détaillée de la boucle fluide est donnée en Figure 1. Figure 2 : Vue 3D de la cellule expérimentale La cellule d essais utilisée lors de ces expériences est basée sur le modèle d une cellule de Hele-Shaw (Figure 2). Les cellules sont fabriquées en polycarbonate avec une face latérale en saphir, transparente aux rayonnements infrarouges(ir) et visibles. La face latérale en saphir a été traitée d un coté afin d obtenir une transmission de 85%. L épaisseur de confinement étudiée ici, entre les deux faces latérales, est de 1mm. Le chauffage est assuré par un film d Inconel de 100 µm d épaisseur alimenté électriquement. Un site de nucléation artificiel conique de 50µm de diamètre a été créé sur la lamelle d Inconel afin de produire des bulles uniques. L instrumentation est basée principalement sur l acquisition des températures. Dans cette étude, les expériences sont menées sur le fluide HFE 7000, du fait qu il est transparent dans le visible et l infrarouge, inodore, ininflammable, non explosif, qu il présente une faible température d ébullition (34 C à pression atmosphérique) ainsi qu une faible enthalpie de changement de phase. Les principales propriétés physiques du fluide sont regroupées dans la table 1. T sat L v ρ µ C p C kj.kg -1 kg.m -3 W.m -1.K -1 mpa.s -1 J.kg -1.K -1 mn.m -1 HFE Table 1 : Propriétés physiques du HFE 7000 (1bar, 25 C ) La procédure expérimentale est la suivante : pour un débit massique de fluide fixé à l entrée de la cellule (l écoulement est réalisé à de très faibles vitesses) et pour une puissance de chauffe fixée, la température ainsi que les caractéristiques géométriques de la bulle de vapeur sont enregistrées à l aide d une camera infrarouge (SC6000, 30 img/s, 640 par 512 pixels de 10 µm) et d une caméra visible semi-rapide (Canon EOS 7D, 50 img/s, 5435 par 3320 pixels de 4µm).

4 Figure 3 : Visualisation visible (gauche) et infrarouge (droite) de la croissance d une bulle de vapeur ( Q p =2W.cm -2 ; Q v =2ml/min) 3. Résultats expérimentaux La figure 3 illustre l évolution des dimensions et de la température dans et autour de la bulle de vapeur lors de sa croissance. A partir des données fournies par les caméras infrarouge et visible, il nous est alors possible de remonter aux caractéristiques géométriques et thermiques d une bulle de vapeur lors de sa croissance et de son détachement Fréquence de détachement des bulles La première caractéristique étudiée ici est la fréquence de détachement des bulles de vapeur lors de l ébullition en fonction de la puissance de chauffe ainsi que du débit de fluide. L analyse de la vidéo infrarouge nous permet de déterminer les variations de températures au niveau du site de nucléation lors de la formation, de la croissance et du détachement des bulles de vapeurs. La figure 4 met en évidence ces fluctuations de températures avec des pics qui correspondent au cycle de nucléation-croissance-détachement de la bulle. Figure 4 : Evolution de la température du site de nucléation (Q p = 2W.cm -2, Q v = 2ml/min)

5 Le cas présenté ici a été réalisé pour un débit de fluide Q v =2ml/min et un flux thermique Q p =2W.cm -2 mais cette évolution est similaire pour les différents paramètres. La température moyenne au niveau du site de nucléation est d environ 34,5 C et la variation moyenne de température lorsque la bulle croit est d environ 1 C. L augmentation soudaine de la température correspond à l absence de bulle sur la surface, suit ensuite une forte diminution de la température qui correspond à la phase de croissance de la bulle (et à une augmentation du coefficient d échange) puisque cela nécessite un grand apport d énergie qui provient principalement de la surface de chauffe. L analyse de ce graphe nous permet alors de déterminer la fréquence de détachement (ou de nucléation) des bulles. Sur la figure 5, les fréquences de détachement sont comparées pour différentes valeurs de débit et de puissance de chauffe. Figure 5 : Variation de la fréquence de détachement des bulles en fonction du débit de liquide et de la puissance de chauffe. Nous retrouvons ici les résultats escomptés, c'est-à-dire que lorsque le flux thermique augmente, on observe une augmentation de la fréquence de détachement (ou de formation) due à une activation plus rapide du site de nucléation. De même on observe une augmentation de la fréquence de détachement des bulles de vapeurs à mesure que le débit de liquide augmente. Autrement dit, une augmentation du taux de cisaillement favorise logiquement le détachement des bulles de vapeur. On note cependant un ralentissement de l augmentation de la fréquence de détachement à haut débit qui peut s expliquer par l apport plus important en fluide frais qui refroidit le système Géométrie de la bulle Il est à présent intéressant de suivre le comportement de l angle de contact entre la bulle et la surface chauffante au cours de sa croissance, et parallèlement les variations des caractéristiques morphologiques de la bulle (diamètre, hauteur, volume). L angle de contact est déterminé en mesurant l angle de la tangente au profil de la goutte au point de contact avec la surface chauffante. Les différentes valeurs d angles de contact sont données sur la figure 6 pour différent débits Q v et flux de chaleur Q p.

6 Figure 6 : Evolution de l angle de contact lors de la croissance de la bulle Nous observons ici une variation de l angle de contact en deux phases. Juste après la nucléation de la bulle et au début de la croissance, l angle de contact augmente très rapidement (t<0,8s) jusqu à atteindre un palier (t>0,8s) autour de 90 où l angle va se stabiliser. On note que lors de ces expériences, quelques soit la valeur du flux de chaleur ou du débit de liquide, le détachement de la bulle se produit avec un angle de contact proche de 93. La détermination de cet angle critique fait parti des recherches en cours. Parallèlement aux mesures d angle de contact, nous nous sommes intéressés à la variation du volume de la bulle au cours de sa croissance. Les données obtenues avec à la caméra visible, nous ont permis de déterminer avec précisions le diamètre de mouillage ainsi que la hauteur de la bulle. Le diamètre maximal des bulles étant inférieur à la longueur capillaire L c ainsi qu à l épaisseur de confinement, nous pouvons considérer la bulle comme axisymétrique et déterminer son volume. Figure 7 : Evolution du volume de la bulle jusqu à son détachement

7 En présentant les résultats sur une échelle logarithmique nous obtenons la figure 7 où est représentée l évolution du volume de la goutte pour différents débits et flux de chaleur. De même que sur la figure 6, nous observons une augmentation rapide du volume de la bulle lors d une première phase (t<0,8s) puis un ralentissement de la croissance de la bulle (t>0,8s) avant son détachement. Les dynamiques de croissance sont similaires quelque soit la puissance de chauffage ou le débit. La prédiction de ces observations fait l objet d une étude théorique en cours basée sur le travail de Barber et al. [8] qui ont proposé un modèle de croissance de bulle en micro-canal. 4. Conclusions Nous avons présenté ici les premiers résultats de l étude expérimentale de la croissance d une bulle unique de vapeur dans une cellule de Hele-Shaw, qui nous a permis une visualisation dans le domaine du visible et de l infrarouge. Les caractéristiques géométriques et thermiques de la bulle ont été étudiées, et dépendent de la puissance de chauffe ainsi que du débit massique du fluide. L étude infrarouge de la température du site de nucléation unique a permis la détermination de la fréquence de détachement des bulles qui varie avec la puissance de chauffe et le débit volumique. Quant aux caractéristiques géométriques de la bulle, un lien entre la variation d angle de contact, de volume et le détachement de la bulle de la surface chauffante a été mis en évidence. Une étude théorique est en cours et a pour but de prévoir ces variations. Références [1] P. Arlabosse, Etude des transferts de chaleur et de masse par effet Marangoni: application à la compréhension du mécanisme de l ébullition en apesanteur. Ph.D. thesis, Université de Provence, [2] J. Straub, Microscale boiling heat transfer under 0 g and 1 g conditions. Int. J. Therm. Sci. 39(4), , [3] D. Serret, D. Brutin, O. Rahli, L. Tadrist, Convective Boiling Between 2D Plates: Microgravity Influence on Bubble Growth and Detachment, Microgravity Science and Technology DOI /s , [4] G. Duhar, G. Riboux, C. Colin: Vapour bubble growth and detachment at the wall of shear flow Heat Mass Transfer (2009) 45: [5] D. Serret, S. Guignard, L. Tadrist, Nucleate boiling on a single site: contact angle analysis for a quasi-2d growing vapour bubble, Microgravity Science and Technology 21: , [6] M. Barthes, Ebullition sur site isole: etude experimentale de la croissance d une bulle et des transferts associes, PhD thesis, Universite de Provence, [7] D. Kenning, Y. Yan, D. Wen, 2004, Saturated flow boiling in a narrow channel: time-averaged heat transfer coefficients and correlations, Appl. Thermal Eng, 24: , [8] J. Barber, D. Brutin, K. Sefiane, J.L. Gardarein, L. Tadrist, Unsteady-state fluctuations analysis during bubble growth in a rectangular microchannel, International Journal of Heat and Mass Transfer, 54: , 2011.