Macro-canaux

La plupart des travaux de la littérature concernant l’étude des régimes d’écoulements en évaporation se basent sur l’observation de l’écoulement après la zone d’évaporation dans une zone transparente adiabatique (voir la section II.2.3). Mais cela ne permet donc pas de voir l’évolution du régime d’écoulement lors de l’évaporation. Cependant certaines études existent sur la visualisation directe de l'écoulement pendant le processus de changement de phase.

La principale méthode de chauffe permettant de conserver la transparence lors de la chauffe de macro-canaux dans la littérature est l’utilisation d’une couche d’Oxyde Transparent Conducteur (TCO). Il existe à l’heure actuelle peu de travaux sur le sujet.

 Yin et al. (2013, [90])

Dans ces travaux récents, une équipe chinoise étudie l’évolution du régime d’écoulement par visualisation directe. Le fluide de travail est de l’eau à pression atmosphérique, qui est sous phase liquide proche de la saturation à l’entrée de la section d’essais. Celle-ci est constituée de tubes droits transparents horizontaux de diamètres internes 8 ou 10 mm suivant la configuration, connectés entre eux par des sections de tubes en silicone opaque. Un revêtement d’ITO est déposé sur la face externe des tubes, et des électrodes permettent l’apport du courant à la couche mince et ainsi la chauffe par effet Joule des tubes (cf. Figure II-13).

Figure II-13. Schéma de l'installation expérimentale de Yin et al. [90]

Les auteurs isolent des régimes d’écoulement (bulles, poches et bouchons, à vagues, stratifié et annulaire) et construisent une carte d’écoulement qu’ils comparent avec celles déjà existantes dans la littérature.

Ils étudient également l’effet de différents paramètres sur l’évolution des régimes d’écoulement découlant du changement de phase :

- le flux de chaleurapporté, noté q par les auteurs (W/m²),

- le flux massique G (kg/m²/s) en entrée,

- le diamètre, noté d par les auteurs (8 et 10 mm).

Il découle de cette étude que l’évolution des régimes d’écoulement est fortement influencée par ces trois paramètres. Les phénomènes sont retranscrits par les auteurs sous forme de croquis basés sur leur étude par visualisation directe, et des conclusions qualitatives sont tirées de la variation des différents paramètres. Comme attendu intuitivement, une augmentation du flux de chaleur apporté décale le point de départ de chaque régime vers l’entrée du tube, raccourcissant de fait la zone intermittente et allongeant ainsi la zone de régime annulaire (cf. Figure II-14).

39

Figure II-14. Effet du flux de chaleur sur l'évolution des régimes d'écoulement lors de l'évaporation,

pour un flux de chaleur variable et un flux massique fixé en entrée [90]

L’étude de l’influence du flux massique en entrée montre que le régime annulaire apparaît seulement à haut flux massique, car à faible flux massique seuls les régimes à poches et bouchons ainsi qu’à vagues apparaissent (cf. Figure II-15).

Figure II-15. Effet du flux massique sur l'évolution des régimes d'écoulement lors de l'évaporation,

pour un flux de chaleur constant et un flux massique variable en entrée [90]

L’augmentation de la taille du tube entrainant une augmentation de la puissance par unité de masse pour un flux massique et un flux de chaleur fixés, les transitions entre régime apparaissent plus tôt pour le tube de plus grand diamètre (cf. Figure II-16). D’après les auteurs, le régime annulaire apparaît plus facilement dans le tube de plus petit diamètre, à cause du cisaillement de la vapeur qui y est plus important.

40

Figure II-16. Effet du diamètre sur l'évolution des régimes d'écoulement lors de l'évaporation,

pour un flux de chaleur variable et un flux massique fixé en entrée [90]

Cette étude est a priori intéressante pour notre cas, cependant elle reste très qualitative et les croquis sont difficilement comparables à des résultats de calcul. Cependant les tendances pourront être utilisées pour vérifier le travail numérique.

 Yang et al. (2008, [91])

Une étude expérimentale et numérique a été conduite sur un tube en serpentin horizontal chauffé par un flux constant. Il s’agit de la même géométrie que l’étude de Yin et al. [90] (ci-dessus) sauf que tout l’écoulement en évaporation est visible et photographié, ce qui permet une comparaison qualitative avec des résultats de calcul CFD.

Le fluide utilisé est un fluide frigorigène (le R141b) dont la température de saturation est de 34°C à la pression atmosphérique. L’installation expérimentale est présentée sur la Figure II-17.

41 La section d’essais est un tube en quartz (diamètres interne et externe de 6 et 8 mm respectivement) en forme de serpentin, recouvert sur la face externe par un revêtement de TCO. Aux deux extrémités du tube ainsi que sur deux coudes sont branchées des arrivées de courant alternatif permettant de générer un flux de chaleur constant par effet Joule dans la nano-couche. L’écoulement est filmé par une caméra rapide avec une vue d’ensemble permettant de visualiser l’évolution de l’écoulement depuis le sous-refroidissement jusqu’aux larges poches de vapeurs créées (cf. Figure II-18).

Figure II-18. Photographie de la section d’essais, évolution du régime d’écoulement [91]

Différents cas sont définis et correspondent à une variation de flux et de débit de liquide en entrée, résumés dans le Tableau II-1. Notons que le sous-refroidissement en entrée du cas 4 est différent des autres pour une raison que les auteurs ne précisent pas.

Flux de chaleur (W/m²) Débit volumique (L/h) Sous-refroidissement (K) Cas 1 (a) 6888 10 8,5 Cas 2 (b) 17848 10 8,5 Cas 3 (c) 24874 10 8,5 Cas 4 (d) 6888 15 10,5 Cas 5 (e) 17848 15 8,5 Cas 6 (f) 24874 15 8,5

Tableau II-1. Grille des cas expérimentaux [91]

A ces essais correspondent les photos prises avec la caméra rapide de la section d'essais complète (cf. Figure II-19). Les photos des cas 2, 3 et 5 sont incomplètes pour des raisons "techniques" selon les auteurs. Ils précisent cependant que l'écoulement en aval pour ces cas est similaire à celui du cas 6, c’est-à-dire un écoulement annulaire très agité.

42

Figure II-19. Photographies des bservations expérimentales de Yang et al. [91]

Les cas 1 et 4 correspondent au flux de chaleur apporté le plus faible, c'est pour cela que l'écoulement est beaucoup moins agité que dans les autres cas. Le liquide est sous-refroidi en entrée, et le flux sert donc principalement à chauffer le liquide jusqu'à la température de saturation. Là, de petites bulles se forment, et grossissent jusqu'à former de larges poches de vapeur. Les cas 2, 3, 5 et 6 présentent un régime à bulle très court et tendent très rapidement vers un régime agité. Ils se terminent avec un écoulement à vagues ou annulaire. Il est à noter que la même équipe a publié des études sur le même dispositif (tube en serpentin chauffé par un revêtement de TCO), en vertical [92;93], en se concentrant sur la formation des bulles à la paroi [94] ou sur la modélisation du dispositif avec le modèle à deux fluides [95].

Ces données, même si elles restent assez éloignées du cas de l'ébullition en tube droit de l'eau sous pression, nous permettront tout de même d'analyser qualitativement les résultats du modèle numérique présentés au Chapitre IV. Il ressort également de cette étude le manque de données expérimentales sur le sujet, et la nécessité d'une installation dédiée, permettant visualisation et mesures thermiques et hydrauliques couplées.

Malgré le peu de résultats expérimentaux trouvés dans la littérature sur la visualisation complète du développement des régimes d'écoulement lors de l'évaporation, de nombreuses études se sont intéressées aux régimes d'écoulement lors du changement de phase, mais observés dans une zone adiabatique en aval de la zone de chauffe. Ces études restent néanmoins intéressantes du fait des photos d'écoulements publiées, qui pourraient être comparées à des résultats numériques.