Physique de l’ébullition

Participants : V. Nikolayev, D. Beysens (SBT et ESPCI); Y. Garrabos et C. Lecoutre (ICMCB), D. Chatain, G. Pichavant, B. Cariteau (SBT)

 

La crise d’ébullition, un phénomène redoutable pour les échangeurs de chaleur industriels, est l’objet d’études expérimentales et théoriques au SBT. L'ébullition nucléée (bulles) est un moyen de transfert de chaleur extrêmement efficace. Cependant, un autre régime d’ébullition, l’ébullition en film, peut se produire de façon inattendue quand un film de vapeur sépare le liquide de la paroi chauffante. Cet accident s'appelle crise d'ébullition par caléfaction, cf. http://www.pmmh.espci.fr/~vnikol/boiling_crisis.html. Elle est très dangereuse, notamment pour les échangeurs des centrales nucléaires, car le flux de chaleur transmissible chute brutalement, la vapeur étant un mauvais conducteur de la chaleur. Si le chauffage n’est pas coupé immédiatement la paroi se réchauffe jusqu’à fusion. La rapidité de la crise d’ébullition et sa violence dans les conditions d’utilisation des échangeurs ne permettent pas son observation détaillée. L’installation HYLDE (Fig. 1) de compensation magnétique de gravité du SBT (lien) a permis [1] d’observer la crise d’ébullition près du point critique de H2 (température critique : 33K, pression critique : 13 bars) où, grâce au “ralentissement critique”, la durée de la crise d’ébullition s’allonge (Fig. 2). Cependant, la tension superficielle devenant  très faible près du point critique, l’étude doit être menée en gravité réduite pour maintenir la forme sphérique des bulles. Ces bulles qui s’étalent coalescent (fusionnent) pour former un film continu de vapeur. Le flux thermique à la transition est mesuré en fonction de la pression du fluide.

 

Figure 1 : Installation HYLDE (HYdrogen Levitation DEvice) du SBT.

Figure 2 : étalement des bulles de la phase gazeuse de H2 vu au travers de la paroi chauffante. La distribution spatiale de la vapeur (blanc) et du liquide (gris) est montrée sur les dessins (vue de profile) en bas des photos correspondantes. La forme toroïdale d’une bulle de vapeur s’explique par la force résiduelle magnétique qui attire le liquide vers le milieu de la cellule. En même temps, une couche liquide couvre les parois grâce au mouillage total.

Les résultats obtenus [1-3] sont en accord quantitatif avec la prédiction théorique que nous avions proposée auparavant [5] et ont bénéficié de la publicité par American Physical Society and American Institute of Physics [6-8].

Un programme ambitieux de recherche a été initié. Il réunit un volet d’expérimentation spatiale (cf. [4-5] pour des expériences antérieures à bord de la station spatiale Mir). Des expériences sont en préparation en utilisant l’appareil DECLIC (http://smsc.cnes.fr/DECLIC/index.htm) du CNES destiné, entre autres, aux études de l’ébullition (Fig. 3). DECLIC permet de ralentir l’ébullition et donc de mettre en évidence ses mécanismes agissant en apesanteur. DECLIC sera implémenté à bord de la Station Spatiale Internationale fin 2008. Pour préparer les expériences sur DECLIC, avec l’installation OLGA (Fig.8) équipements de lévitation magnétique de l’hydrogène et de l’oxygène sont opérationnels au SBT et théorie et simulation sont effectuées à l’ESPCI.

 

Figure 3 : Installation DECLIC (Dispositif pour l’Etude de la Croissance et des LIquides Critiques) du CNES. Les cellules d’ébullition ont été développées à l’ESEME/ICMCB.

Figure 4 : Installation OLGA (Oxygen Low Gravity Apparatus) du SBT.

Références

1. Nikolayev V. S., Chatain D., Garrabos Y. & Beysens D. Experimental evidence of the vapor recoil mechanism in the boiling crisis, Physical Review Letters 97, 184503 (2006).

2. Nikolayev V., Beysens D., Garrabos Y., Chatain D. & Lecoutre C. Bubble spreading during the boiling crisis: modeling and experimenting in microgravity, Microgravity Science and Technology 18(3/4), 34 - 37 (2006).

3. Nikolayev V. S., Chatain D. & Beysens D. Is CHF triggered by the vapor recoil effect?, Proc. 6th Int. Conf. on Boiling Heat Transfer, May 7-12, 2006, Spoleto, Italy (CD-ROM).

4. Hegseth J., Oprisan A., Garrabos Y., Nikolayev V. S., Lecoutre-Chabot C. & Beysens D. Wetting film dynamics during evaporation under weightlessness in a near-critical fluid, Phys. Rev. E, 72 031602 (2005).

5. Garrabos Y., Lecoutre-Chabot C., Hegseth J., Nikolayev V.S., Beysens D. Gas spreading on a heated wall wetted by liquid, Phys. Rev. E 64 (5), 051602-1 – 051602-10 (2001).

6. P. F. Schewe, B. Stein and D. Castelvecchi Slow-Motion Boiling, Physics News Update, Number 99, November 1 (2006) (http://www.aip.org/pnu/2006/split/799-2.html )

7. P. F. Schewe, B. Stein and D. Castelvecchi Slow-Motion Boiling, APS News, 16 (2) p8 (2007) (lien)

8. P. F. Schewe, Boiling crisis revealed, Physics Today, p.9, January 2007.

 

Maj : 03/09/2010 (433)

 

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