ETUDE EXPERIMENTALE DU TRANSFERT DE CHALEUR LORS DE L EBULLITION EN VASE DU R141b BAKI Touhami*, ARIS Abdelkader** *IGCMO USTO Oran, post-graduant école doctorale Energétique et Environnement ** ENSET Oran Es Senia, Maitre de conférence L ébullition reste un phénomène très complexe, la visualisation et l expérience peuvent permettre la compréhension ainsi que la modélisation ; pour ce notre étude a été focalisé sur le transfert thermique lors de l'ébullition nucléée d un réfrigérant le R141b, sur la surface d un tube plein horizontal en cuivre ; L expérience a été faite pour plusieurs niveaux de pression ; Les résultats d expérimentation ont été comparés avec les données prévus par des modèles connues. De même, Nous avons repris les données d expériences publiées de l ébullition nucléée en vase de l eau pure chauffée par un tube horizontale, à la pression atmosphérique ; Nous avons récupérés les résultats de l expérience, et nous les avons comparés avec les mêmes modèles, à savoir, Rohsenow, Cooper et Labuntsov. Nous pouvons affirmer avec les résultats obtenues que la modélisation peut donner une bonne approche pour la détermination du coefficient de transfert de chaleur pour des tubes horizontaux immergés, Nous pouvons alors affirmer que certains modèles peuvent prédire l évolution du coefficient de transfert de chaleur lors de l ébullition nucléée à l extérieur d un tube noyé dans un liquide pure ; Et que dans tous les cas lors de l ébullition nucléée, le coefficient de transfert de chaleur évolue avec le flux de chaleur dans la proportion, de. Mots clés : ébullition nucléée / modèles / transfert de chaleur / flux de chaleur / expérience. Boiling remains a very complex phenomenon, visualization and the experiment can allow comprehension as well as modeling; for this our study was focused on the thermal transfer during the nucleate boiling of a cooling agent R141b, on the surface of a horizontal full copper tube ; The experiment was made for several levels of pressure ; The results of experimentation were compared with the data envisaged by models known. In the same way, We took again the data of experiments published of nucleate boiling in mud of the pure water heated by a tube horizontal, with the atmospheric pressure ; We recovered the results of the experiment, and compared we them with the same models, namely, Rohsenow, Cooper and Labuntsov. We can affirm with the results obtained that modeling can give a good approach for the determination of the coefficient of transfer of heat for immersed horizontal tubes, We can then affirm that certain models can predict the evolution of the coefficient of transfer of heat during nucleate boiling outside a tube drowned in a pure liquid ; And that in all the cases during nucleate boiling, the coefficient of transfer of heat evolves/moves with the heat flow in the proportion, of.. Key words: nucleate boiling/model/transfer of heat/heat flow/experiment.
Nomenclature Symboles Symbole Désignation Unité SI g Accélération de la pesanteur m/s² h Coefficient de transfert de chaleur kw/m²k Chaleur latente de vaporisation J/kg Poids moléculaire kg/mol P Pression Pa q Flux de chaleur surfacique W/m² Rugosité T Température K Pr Nombre de Prandtl Sans Symboles grecques Symbole Désignation Unité SI λ Conductivité thermique W/m. K ρ Masse volumique Kg/m3 σ Tension superficielle N/m Viscosité cinématique m²/s Viscosité dynamique kg/m.s Indices Symbole l v c R p sat Désignation Liquide Vapeur Critique Réduite Paroi Saturation
1 Experience 1 Nous avons procédé à l expérience de l ébullition nucléée d un tube en cuivre plongé dans un liquide réfrigérant le R141b. 1.1 Description de l appareil de l ébullition L appareil de l ébullition est constitué d un élément chauffant électrique en cuivre submergé dans un liquide, et est monté horizontalement dans une chambre verticale cylindrique en verre, la température est mesurée par un thermocouple et un indicateur de température ; L arrivée électrique à l élément chauffant est contrôlée par potentiomètre et le taux de transfert de chaleur est affiché par un wattmètre. A l extrémité supérieure se trouve le condenseur une bobine nickelée de tube en cuivre dans laquelle passe l eau de refroidissement ; cette bobine condense la vapeur produite lors de l ébullition et retourne au fond de la chambre pour être de nouveau évaporée. Voir le digramme schématique de l appareil d expérimentation du schéma 1. La surface chauffante est de forme cylindrique avec un diamètre de 12,7 mm, une longueur utile de 42 mm, soit une surface de 0,0018 m², la chambre en verre est de forme cylindrique et a un volume de 0,0015 m 3, le liquide utilisé est un réfrigérant, dénommé le R141b. Le volume total de la chambre est de 1,5 litre, il doit être rempli au niveau du tiers soit 0,5 litre de façon à ce que le tube chauffant doit être immergée, l air à l intérieur devra être évacué ; la température du liquide est affichée à l aide d un thermomètre plongée dans le liquide, la température de la surface est indiquée à l aide de quatre thermocouples ancrés à la surface extérieure du tube chauffant, la température indiquée sur l afficheur est la moyenne. 1.2 Procédure L expérience a été faite pour quatre niveaux de pression, 150, 200, 250 et 300 kn/m², les données ont été collectées en incrémentant le flux de chaleur par palier ; la température de saturation du R141b pour chaque pression a été respectivement de 44, 53, 61, et 67 C ; un manomètre à cadran affiche la pression de la chambre. La série de mesure obtenu concerne seulement le tronçon de l ébullition nucléée soit, pour des flux de chaleur moyen de 10 à 150 kw/m², la différence entre la température de saturation du liquide et la température de la paroi était comprise entre 8 et 18 C. (Schéma 1) - Diagramme schématique de l appareil d expérimentation (Photo 1) - Ebullition nucléée du cylindre chauffant dans le liquide R141b 1.3 Résultat et discussion L étude concerne le transfert de chaleur lors de l ébullition nucléée en vase à l extérieur d un tube horizontal submergée pour une plage de pression de 150 kn/m² à 300 kn/m² ; l ébullition qui se manifeste à l extérieur du tube est montrée à la photo 1 ; Les résultats des mesures d expérimentation de
transfert de chaleur sont montrés ci-dessous pour le liquide R141b. La figure 1, Nous montre la relation entre la différence de température entre la paroi et la température de saturation du fluide et le flux de chaleur ; pour des différences de températures faibles une grande quantité de flux de chaleur est évacuée, le phénomène est accélérée lorsque la pression du système augmente, Nous avons alors plus de flux de chaleur qui est transmis, la figure 2 montre l évolution du flux de chaleur en fonction de la pression et de la différence de température en trois dimensions. (Fig. 1) - Evolution du flux de chaleur en fonction de la température pour différentes pressions (Fig. 2) - Evolution du flux de chaleur en fonction de la pression et de la température 1.4 Modélisation Les résultats d expérimentation du transfert de chaleur lors de l ébullition nucléée, ont été comparés avec les données prévus par des corrélations connues. Rohsenow a proposé la corrélation suivante pour prévoir le transfert de chaleur lors de l ébullition nucléée : Dans cette formule, on prend m=0,7 et n=0,33, et le coefficient empirique surface-fluide est pris égal à 0,0063 pour notre cas du liquide R141b et la surface en cuivre. Copper a préconisé une corrélation qui introduit les propriétés de la rugosité de surface : (1) (2) Où est la rugosité de la surface, est le poids moléculaire et pression réduite relation le coefficient. est définit comme la, pour cette Labuntsov a recommandé la corrélation suivante : Avec ; (3) Une comparaison entre les résultats de l expérience et les données calculées à partir des corrélations de Rohsenow, Cooper et Labuntsov est montrée dans les figures cidessous. Comme on le voit les résultats conviennent parfaitement avec les données calculées par les corrélations de Rohsenow et Cooper, par contre une déviation est constatée pour le cas de la corrélation de Labuntsov, comme indiqué dans les courbes de la figure 3. Ces courbes nous montrent aussi la variation du coefficient du transfert de chaleur avec le flux de chaleur ; le coefficient augmente avec l augmentation du flux de chaleur. L effet de pression est aussi constaté, la valeur du coefficient de transfert de chaleur devient plus intense pour des pressions élevées ; il est beaucoup plus élevé pour des flux de chaleur importants ; pour une pression donnée la relation peut être décrite sous la forme,. a)
(Fig. 3) - Variation du coefficient du transfert de chaleur avec la pression b) c) d) 2 Modélisation du tube plongé dans l eau L expérience faite et décrite dans cette partie concerne l ébullition nucléée à l extérieur d un tube plongé dans un liquide, dans ce cas il s agit d un liquide réfrigérant le R141b, les résultats trouvés ont été en concordance avec certains modèles ; comme l appareil ne permet pas de faire l expérience avec l eau, puisqu il est conçu pour des caractéristiques de températures et de pressions basses ; Nous avons alors récupérés les résultats d expériences publiés et les avons comparés avec les mêmes modèles utilisés pour nos résultats d expérience. 2.1 Expérience 2 Alavi Fazal et son équipe [26], ont fait l expérience de l ébullition nucléée en vase de différents liquides chauffés par un tube horizontale en acier inoxydable de diamètre 10,67 mm et longueur de 99,1 mm, à la pression atmosphérique. Nous avons récupérés les données de l expérience pour le cas de l eau pure, et nous les avons comparés avec les mêmes corrélations à savoir, Rohsenow, Cooper et Labuntsov, et nous sommes arrivés à un résultat similaire à notre expérience, à savoir que le coefficient de transfert de chaleur évolue avec le flux de chaleur dans la même proportion,. Les courbes de Rohsenow et Cooper conviennent avec les données calculées, par contre celle de Labuntsov présente une déviation lorsque le flux de chaleur devient important. La courbe de la figure 4 nous montre la variation du coefficient du transfert de chaleur avec le flux de chaleur dans le cas de l eau pure à la pression d une atmosphère ; le coefficient augmente avec l augmentation du flux de chaleur.
(Fig. 4) - Variation du coefficient du transfert de chaleur pour l eau à la pression de1 atm. 2.2 Expérience 3 Alangar SATHYABHAMA et son équipe [17], ont fait l expérience de l ébullition nucléée en vase de différents liquides chauffés par un fil horizontale en platine de diamètre 0,30 mm et longueur de 37 mm, à la pression de 0,4 et 0,7 Mpa, le fil était chauffé directement par courant électrique. Nous avons récupérés les données de l expérience pour le cas de l eau pure à la pression de 7 bars, et nous les avons comparés avec les mêmes modèles à savoir, Rohsenow, Cooper et Labuntsov, et nous sommes arrivés à un résultat similaire à notre expérience, à savoir que le coefficient de transfert de chaleur évolue avec le flux de chaleur dans la même proportion,. Les courbes de Rohsenow et Cooper conviennent avec les données calculées, par contre celle Labuntsov présente une légère déviation lorsque le flux de chaleur devient important. La courbe de la figure 5 nous montre la variation du coefficient du transfert de chaleur avec le flux de chaleur dans le cas de l eau pure à la pression de 07 bars, le coefficient de transfert de chaleur augmente avec l augmentation du flux de chaleur. (Fig. 5) - Variation du coefficient du transfert de chaleur pour l eau à la pression de 7 bar 3 Conclusion Des coefficients de transfert de chaleur lors de l ébullition en vase pour différents liquides purs comprenant l'eau, et le R141b, ont été étudiés pour différentes pressions. Les données expérimentales ont été comparées à trois modèles disponibles dans la littérature pour l'ébullition en vase ; les modèles proposées pour l étude actuelle prévoient favorablement les données expérimentales liées à l'eau et au réfrigérant R141b sur un éventail de pressions. Une des raisons de la grande variation des résultats, est que l'ébullition nucléée est très sensible à l'état de la surface sur laquelle l'ébullition se produit, la variation est visible par la différence entre les valeurs expérimentales et celles données par les diverses corrélations, néanmoins la marge reste raisonnable avec un pourcentage acceptable qui est de l ordre de 17%, pour les corrélations de Rohsenow et Cooper, pour le cas de
Labuntsov une déviation importante est constaté, néanmoins une rectification est possible en multipliant le résultat par un coefficient k = 1,67 pour le dernier graphe par exemple, on peut alors diminuer l erreur à des taux acceptable comme il est montré à la figure 6; en fait ce rapport est applicable dans tous les cas étudiés, même pour le fluide frigorigène R141b, pour pouvoir généraliser cette hypothèse on devrait essayer pour une large gamme de produit. Fig. IV.6 - Variation du coefficient du transfert de chaleur pour l eau à la pression de 7 bars. Les modèles peuvent servir dans la conception des évaporateurs et les chaudières à vapeur pour les installations utilisant l eau et le réfrigérant R141b, pour une généralisation de l utilisation de ces relations, il est nécessaire de faire les expériences pour d autres produits et élargir la gamme de pression pour le cas de l eau. Suite à notre démarche qui a consisté à faire une expérience de l ébullition nucléée d un tube immergée dans le liquide R141b, et la modélisation des résultats de l expérience avec des modèles connues ; ces mêmes modèles ont été appliqués à des résultats d expériences publiés faite pour le cas de l eau ; Nous pouvons affirmer avec les résultats obtenues de la modélisation peuvent donner une bonne approche pour la détermination du coefficient de transfert de chaleur pour des tubes horizontaux immergés dans l eau comme le cas des bouilleurs ou les chaudières à vapeur. [1] Alavi Fazel, Seyed Ali, Jamialahmadi, Mohammad and Safekordi, Ali Akbar, 2008, Experimental investigation in pool boiling heat transfer of pure/binary mixtures and heat transfer correlations, IRANIAN JOURNAL OF CHEMISTRY AND CHEMICAL ENGINEERING (IJCCE) FALL 2008; 27(3):135-150. [2] Alangar SATHYABHAMA and Ramakrishna N. HEGDE, 2010, PREDICTION OF NUCLEATE POOL BOILING HEAT TRANSFER COEFFICIENT, THERMAL SCIENCE : Year 2010, Vol. 14, No. 2, pp. 353-364