Ebullition de transition sur un fil
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M.-C. Duluc,
M.X. François
Figure
Objet
Le transfert de chaleur mis en jeu en présence d'ébullition est habituellement
représenté par une courbe d'échange dite courbe d'ébullition. La région
intermédiaire ou de transition, située entre l'ébullition nucléée (EN) et
l'ébullition en film (EF), reste difficile d'accès de par la nécessité de
contrôler la température du solide. Dans ce contexte, l'utilisation d'un fil
thermorésisitf comme élément chauffant est intéressante à plus d'un titre.
Tout d'abord, le contrôle de la température, effectué par l'intermédiaire de sa
résistance électrique, entre dans la catégorie du contrôle actif (plus
performant que le contrôle dit passif). De plus, les modes de chauffage (par effet Joule)
peuvent être étendus par contrôle de la tension aux bornes du fil ou encore du
courant injecté. Les états d'ébullition obtenus étant propres à chaque mode
de chauffage, il est possible, dans ces conditions, d'élargir la cartographie des états de
transition effectivement réalisables. Enfin, la très faible inertie thermique du fil permet
de réduire sa contribution devant celle du fluide, ce point se révélant
particulièrement précieux en présence de phénomènes instationnaires.
Description
Des courbes d'ébullition ont été réalisées en azote liquide sur un fil de
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m de diamètre selon trois modes de chauffage différents,
température (Fig. 2), tension (Fig. 3) ou courant (Fig. 4) contrôlés. Dans le
premier cas, le contrôle, effectué par l'intermédiaire de la résistance
électrique du fil, est réalisé à l'aide d'un dispositif de régulation
spécifique. Les états obtenus sont des états stationnaires [1]. Les deux autres
modes de chauffage, pour lesquels une transition directe depuis le flux critique (M)
jusqu'à l'ébullition en film (EF) est observée, ont été étudiés en
considérant des vitesses de chauffage variables ; la durée et l'énergie requises au
cours de cette transition peuvent ainsi être déterminées [2].
Résultats et perspectives
Les courbes obtenues confirment que les points susceptibles d'être observés dans la
région de transition sont, contrairement aux deux autres régimes (EN) ou (EF),
conditionnés par la procédure de chauffage. Certains états sont communs aux trois
modes, c'est le cas de la transition (EF)-(EN), pour laquelle les états observés sont de
l'ébullition mixte stationnaire où coexistent sur le fil EN et EF. La diminution de la
consigne se traduit dans ce cas par la régression du régime d'ébullition en film au
profit du régime d'ébullition nucléée. La courbe réalisée à
température contrôlée a permis la mise en évidence de nouveaux états,
apparaissant sous forme de branches discontinues identifiées à l'aide d'un modèle
comme de l'ébullition mixte stationnaire se développant à proportion constante de
chaque régime (EN ou EF). Il a été montré que la longueur du fil recouverte
d'EF n'est pas quelconque mais égale à un multiple de la longueur d'onde de Taylor,
caractéristique spatiale de ce régime. Bien que ces états soient associés à
de forts gradients de température à l'intérieur du fil, le très faible diamètre
de ce dernier permet de maintenir cette coexistence de façon stationnaire.
La transition directe entre le flux critique (M) et l'EF ou crise d'ébullition, observée
en l'absence de contrôle de la température (Fig. 2 et 3), correspond à la
propagation d'un film de vapeur sur le fil. La réalisation d'expériences à vitesse
de chauffage variable montre que cette transition ne peut se produire en deçà d'une
durée minimum conduisant à une vitesse moyenne de progression du front de vapeur
au plus égale à 10 cm/s. La mesure de l'énergie associée à cette transition
permet d'estimer l'apport nécessaire à la formation de la gaine de vapeur comme
moins de 15% de l'énergie totale consommée. Une cartographie détaillée des
états de transition possibles est ainsi établie dans le cas d'un fil fin en azote liquide.
La participation du solide négligeable dans le cas présent demande à être
approfondie lors d'études ultérieures.
Références
[1] M.C. Duluc, M.X. François, J.P. Brunet :
<<Liquid Nitrogen Boiling around a Temperature
Controlled Heated Wire>>. Int. J. Heat & Mass Transfer, Vol 39, n8,
pp 1758-1762, 1996.
[2] M.C. Duluc, M.X. François : <<Some Results on Transition
Boiling in Liquid Nitrogen>>.
International Conference on Cryogenics & Refrigeration, Hangzhou,
China, April 21-24, 1998.
