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Étude expérimentale des transferts thermiques en ébullition transitoire

Visentini, Roberta (2012) Étude expérimentale des transferts thermiques en ébullition transitoire. (Experimental study on transient boiling heat transfer.)

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Résumé

L’ébullition est présente dans la vie de tous les jours et elle a été par conséquent le sujet de beaucoup d’études, mais pour la plupart en régimes stationnaires. Néanmoins, l’intérêt de connaître les caractéristiques de l’ébullition transitoire est aussi important notamment pour la prévention des accidents nucléaires majeurs. C’est justement dans l’optique de mieux comprendre les phénomènes d’ébullition qui se produisent lors d’un RIA (Accident d’Insertion de Réactivité) que cette thèse a été financée par l’IRSN. Le RIA est un accident qui peut résulter d’une défaillance du mécanisme de la grappe contrôlant la réaction nucléaire. La réaction s’emballe pendant quelques dizaines de millisecondes (pulse de puissance) provoquant une augmentation rapide de la température du crayon de combustible et donc l’évaporation du liquide qui l’entoure. Des tests ont été faits par le passé soit sur des crayons de combustibles, soit sur des tubes chauffés ayant les mêmes dimensions qu’un crayon, afin d’améliorer la connaissance de ce phénomène. Par contre, les mesures étaient entachées d’incertitudes importantes, dues à des techniques de mesure non appropriées à des phénomènes si rapides. L’objectif de ce travail a été de concevoir et mettre en place une expérience capable de simuler un RIA à petite échelle, pour mieux comprendre les caractéristiques de l’ébullition lorsque la paroi monte en température très rapidement. De plus, ce dispositif expérimental devait être apte à étudier des montées en température moins violentes pour améliorer la connaissance de l’ébullition transitoire en général. Cette expérience a été conçue à l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse. Elle est constituée d’une feuille métallique d’acier de 50µm d’épaisseur, formée en demi cylindre (8mm de diamètre et 200mm de longueur) et chauffée par effet Joule. Elle est entourée par du fluide réfrigérant HFE7000, qui permet de travailler en similitude par rapport au cas réel en eau. Le fluide est confiné par un deuxième demi cylindre en verre, ayant 34mm de diamètre. Les expériences peuvent être en vase ou avec écoulement, écoulement qui a été caractérisé par des mesures PIV. Plusieurs débits peuvent donc être employés et le sous-refroidissement du liquide est aussi ajustable. L’emploi d’une alimentation pilotable et très flexible permet d’obtenir des chauffages du métal jusqu’à 2500K/s, mais aussi des montées en température plus faibles, pour tracer des courbes d’ébullition stationnaires ou faiblement transitoires. La température de la paroi est mesurée grâce à une caméra infrarouge, couplée à des visualisations rapides et à des mesures de pression et température dans le liquide. En outre, la puissance injectée est connue grâce à des mesures de tension et courant électrique, grâce auxquelles le flux passé de la feuille vers le liquide est connu. Des considérations sur les différents régimes d’ébullition résultent de ce travail. Les échanges monophasiques se font par conduction et convection couplées, même quand la montée en température est très rapide. Le déclenchement d’ébullition s’effectue pour un certain seuil d’énergie passée dans le fluide et on peut identifier une surchauffe limite, qui correspond à l’activation des sites de nucléation les plus petits. Quand on est en transitoire rapide, c’est-à-dire pour des tests de 0.1/0.5sec où l’on atteint les 200°C de température de paroi, il semble que l’on passe toujours par une phase d’ébullition nucléée. Les données pour l’ébullition nucléée en conditions stationnaires sont bien représentées par les corrélations de la littérature. Les expériences en régime transitoires montrent des flux plus élevés qu’en régime stationnaire, tendance aussi confirmée par la littérature dans tous les régimes d’ébullition : ébullition nucléée, flux critique et ébullition en film. L’expérience mise en place permet donc d’étudier au moyen de mesures thermiques précises et de visualisations, les différents régimes d’ébullition, avec des montées en température variables. Des premières modélisations sont également proposées. ABSTRACT : Boiling phenomena can be found in the everyday life, thus a lot of studies are devoted to them, especially in steady state conditions. Transient boiling is less known but still interesting as it is involved in the nuclear safety prevention. In this context, the present work was supported by the French Institute of Nuclear Safety (IRSN). In fact, the IRSN wanted to clarify what happens during a Reactivity-initiated Accident (RIA). This accident occurs when the bars that control the nuclear reactions break down and a high power peak is passed from the nuclear fuel bar to the surrounding fluid. The temperature of the nuclear fuel bar wall increases and the fluid vaporises instantaneously. Previous studies on a fuel bar or on a metal tube heated by Joule effect were done in the past in order to understand the rapid boiling phenomena during a RIA. However, the measurements were not really accurate because the measurement techniques were not able to follow rapid phenomena. The main goal of this work was to create an experimental facility able to simulate the RIA boiling conditions but at small scale in order to better understand the boiling characteristics when the heated-wall temperature increases rapidly. Moreover, the experimental set-up was meant to be able to produce less-rapid transients as well, in order to give information on transient boiling in general. The facility was built at the Fluid-Mechanics Institute of Toulouse. The core consists of a metal half-cylinder heated by Joule effect, placed in a half-annulus section. The inner half cylinder is made of a 50 microns thick stainless steel foil. Its diameter is 8mm, and its length 200mm. The outer part is a 34mm internal diameter glass half cylinder. The semi-annular section is filled with a coolant, named HFE7000. The configuration allows to work in similarity conditions. The heated part can be place inside a loop in order to study the flow effect. The fluid temperature influence is taken into account as well. A flexible power supply that can generate a free-shape signal, allows to get to a wall-temperature increase rate up to 2500 K/s but also to obtain lower rates, which permits to study weaker transients and steady state conditions. The thermal measurements are realised by means of an infra-red camera and a high-speed camera is employed in order to see the boiling phenomena at the same time. From the voltage and current measurements the heat flux that is passed to the fluid is known. It is possible to underline some of the main results of this work. We found that, even when the boiling onset occurs soon because of the high power, transient conduction is always coupled with transient convection. The boiling onset occurs when the wall superheat is between 10K et 30K. This value corresponds to the activation of the smallest nucleation sites at the wall. The literature correlations well fit the nucleate boiling data in steady-state conditions. When the wall-temperature increase rate leads to transient boiling, the heat flux is higher than in steady state. This is consistent with what was found in previous studies. The nucleate boiling phase may last only a few milliseconds when the power is really high and the wall temperature increases really rapidly (500-2000K/s). The experiments in transient boiling also point out that the heat flux is larger than in steady state conditions for the other regimes: Critical heat flux and also film boiling. The experimental set-up allows to investigate a large range of parameters (wall-temperature increase rate, flow rate, fluid temperature) by means of accurate temperature measurements and visualisations. Some modellings of the heat transfer are also proposed.

Département ou laboratoire:Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse - IMFT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Colin, Catherine
Mots-clés:Ebullition transitoire - Thermographie infra rouge. KEYWORDS : Expérimental transient boiling - Infrared thermography
Sujets:Génie industriel > Systèmes industriels
Hydraulique > Mécanique des fluides
Hydraulique > Dynamique des fluides
Hydraulique > Energétique et transferts
Hydraulique > Mécanique énergétique
Déposé le:29 Janvier 2013

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