2.2.1
G´eom´etrie
La cellule d’essai a une section semi-annulaire (fig 2.2). Le demi-cylindre int´erieur est une feuille de m´etal chauff´ee par effet Joule (clinquant) et simule le crayon de combustible chauffant. La feuille de m´etal est coll´ee `a deux plaques de quartz d’´epaisseur 3 mm, de largeur 42 mm et de 200 mm de longueur. Cet ensemble est mis dans une cellule en aluminium. Les rayons ri et ro des demi-cylindres int´erieur
et ext´erieur sont de 4,2 mm et 17 mm. Cette g´eom´etrie a ´et´e choisie (Visentini [66]) pour repr´esenter un crayon de combustible et le fluide alentour avec une g´eom´etrie proche de la g´eom´etrie annulaire mod`ele, couramment utilis´ee en thermohydraulique nucl´eaire. Le rayon du demi-cylindre int´erieur est `a peu pr`es ´egal au rayon d’un bar- reau de combustible. Par contre, le rayon du demi-cylindre ext´erieur a dˆu ˆetre pris plus important que dans la g´eom´etrie mod`ele. En effet, un demi-cylindre ext´erieur en verre de faible rayon est plus difficile `a obtenir techniquement et aurait aussi induit de fortes distorsions optiques, gˆenant les visualisations. Le diam`etre hydraulique Dh
est d´efini par Dh = 4 S/P , avec S l’aire de la section de fluide, et P le p´erim`etre
mouill´e. Dans le cas d’un r´eacteur REP, ce diam`etre vaut Dh,REP=11,78 mm, pour
une g´eom´etrie annulaire Dh,annul.= 2(ro− ri)=25,6 mm et pour une g´eom´etrie semi-
annulaire Dh,semi−annul. ≈ 37,5 mm. Le diam`etre hydraulique de la section d’essai
est ainsi trois fois plus grand que dans la g´eom´etrie mod`ele d’un ´ecoulement autour d’un barreau de combustible. Il sera montr´e cependant qu’une ´equivalence est pos- sible entre les deux. La g´eom´etrie semi-annulaire permet d’avoir un acc`es optique `
a la paroi chauff´ee avec une cam´era infrarouge. La visualisation infrarouge permet la mesure de la temp´erature de paroi sur un grand champ spatial (≈ 100 mm×100 mm) et avec une tr`es bonne pr´ecision temporelle (sur des temps de 100 ms `a 1 ms). Une boˆıte de visualisation autour de la section semi-annulaire permet d’´eviter cer- taines distorsions optique pour les visualisations par camera rapide. La hauteur du demi-cylindre chauff´e est de 200 mm. Il sera montr´e par la suite que cette hauteur est suffisante pour ´etablir de la convection ou de l’´ebullition en film.
Figure 2.2 – Coupe de la cellule d’essai
2.2.2
R´efrig´erant
Utiliser de l’eau pour les exp´eriences demanderait trop de puissance. Le fluide utilis´e est du 1-methoxyheptafluoropropane (C3F7OCH3), appel´e HFE7000 (3M).
Ce fluide a ´et´e choisi (Visentini [66]) pour sa faible temp´erature de saturation `a pression atmosph´erique (34 oC), sa faible chaleur latente de vaporisation (10 fois
plus petite que pour l’eau `a 155 bars, pour laquelle la chaleur latente de vaporisation est d’environ 970 kJ/kg) et pour la r´eduction du flux critique qui s’ensuit. En effet, `
a pression atmosph´erique, la corr´elation de Zuber [69] pr´edit un flux critique de 1,11 MW/m2 pour l’eau tandis que pour le HFE7000 le flux pr´edit n’est que de 0,17
MW/m2. Ces caract´eristiques permettent de faire des tests en ´ebullition fortement
transitoire avec des puissances raisonnables. Les principales propri´et´es physiques du HFE7000 sont donn´ees dans la table (2.1) `a temp´erature de saturation et `a pression atmosph´erique.
2.2.3
Chauffage du demi-cylindre int´erieur
La feuille de m´etal chauff´ee a une surface semi-cylindrique en contact avec le flu- ide, mais a une surface plus grande pour le collage aux plaques de quartz. Sa largeur totale est de 22,2 mm (un demi-cercle de 4,2 mm de rayon et deux bandes de 4,5 mm coll´ees au quartz). Son ´epaisseur est de 50 µm et sa longueur 200 mm. Le m´etal
ρl[kg/m3] cp,l[J/(kgK)] λl[W/(mK)] νl[m2/s] σ [N/m]
1385, 8 1300 0, 075 0, 32 · 10−6 11, 45 · 10−3
ρv[kg/m3] Cp,v[J/(kgK)] λv[W/(mK)] νv[m2/s] hlv[kJ/kg]
8, 26 975 0, 0135 0, 293 · 10−6 132
Table 2.1 – Propri´et´es du HFE7000 `a temp´erature de saturation et pression atmo- sph´erique
utilis´e est un acier AISI304 dont les propri´et´es sont les suivantes : ρw=7930 kg/m3, Cp,w=500 J/kgK et λw=16,3 W/mK.
L’effet Joule est obtenu en branchant la feuille de m´etal `a une alimentation SORENSEN SGA. Cette alimentation couvre une gamme de courant de 0 `a 250 A et une gamme de tension de 0 `a 40 V. On peut piloter l’alimentation avec tout type de signal avec un temps de r´eponse de l’ordre de la milliseconde. Une mesure de tension U est faite sur une longueur de 100 mm au milieu du clinquant grˆace `a un boˆıtier d’acquisition National Instrument. Un amp`erem`etre ITB 300-S LEM permet de mesurer le courant I passant dans le circuit sur une gamme 0-300 A avec un temps de r´eponse `a 300 A de moins de 1µs. Cet amp`erem`etre est plac´e autour d’un branchement de l’alimentation et fonctionne grˆace `a l’effet Hall : une bobine entoure la tresse sortant de l’alimentation, et quand un courant I est impos´e, une tension apparaˆıt aux bornes de la bobine et peut ˆetre reli´e `a l’intensit´e du courant I. Cette mesure ne n´ecessite pas de branchement direct au circuit de l’alimentation et peut ˆ
etre plac´ee `a n’importe quel endroit puisque le courant est le mˆeme tout le long du circuit. L’´evolution du courant est aussi relev´ee avec le boˆıtier d’acquisition National
Instrument. Ce couple de mesures permet ainsi de calculer la puissance dissip´ee par
effet Joule P et la r´esistance ´electrique R dans ces 100 mm de clinquant chauff´e avec
P = U I et R = U/I. La figure 2.3 montre les branchements ´electriques.
L’alimentation est contrˆol´ee grˆace au logiciel LabView de National Instrument. Le contrˆole peut se faire de diff´erentes mani`eres. Si on impose le courant I, on fait des tests avec une puissance par effet Joule constante P . On peut alors observer comment la temp´erature et le flux de chaleur ´evoluent, mais on ne les contrˆole pas. Un contrˆole proportionnel en temp´erature a ´egalement ´et´e mis en place pendant le stage de Scheiff V. [56] avec le logiciel LabView. Un ´etalonnage permet d’obtenir la variation de la r´esistance en fonction de la temp´erature R = R0 + a(Tw − T0) avec
I A V I U cli n q u an t
Figure 2.3 – Branchements ´electriques
l’interm´ediaire du contrˆole de la r´esistance R mesur´ee. Ainsi, la temp´erature impos´ee est la temp´erature moyenne sur la zone de mesure de tension de 100mm et non une mesure locale. N´eanmoins, ce contrˆole permet d’avoir des temps de r´eponse plus rapides que les thermocouples et ne n´ecessite pas de mesure intrusive. On a choisi un contrˆole uniquement proportionnel pour garder une dynamique rapide et parce qu’on n’a pas observ´e de grand d´epassement de consigne. Cette boucle de contrˆole permet d’imposer des variations de temp´eratures (constante ou rampe) proche de la consigne mais ne sert pas `a la mesure de la temp´erature de paroi. Cette derni`ere est mesur´ee de mani`ere pr´ecise par la thermographie infrarouge qui est d´ecrite plus tard.
2.2.4
Circuit hydraulique
La section d’essai est plac´ee dans une boucle exp´erimentale pour imposer un ´
ecoulement turbulent ´etabli vertical dans la section d’essai. Un sch´ema de cette boucle est repr´esent´e figure 2.4. Le fluide est mis en mouvement par une pompe volum´etrique permettant des vitesses de fluide dans la section d’essai allant jusqu’`a 2 m/s, ce qui correspond `a un nombre de Reynolds Re=280 000. Avant de passer dans la section d’essai, le fluide traverse un divergent, un nid d’abeille, un conver- gent et une conduite de mˆeme g´eom´etrie que la section d’essai de 1m de longueur. Ainsi, l’´ecoulement est pleinement ´etabli en amont de la section. Nous ´etudions des ´
ment turbulents.
Un d´ebitm`etre `a effet Coriolis Coriolis Micro Motion, S´erie F permet de mesurer
des d´ebits jusqu’`a 3600 L/h. Son incertitude nominale est de ±0.15% en volume. En amont de la conduite d’´etablissement de l’´ecoulement se trouve un ´echangeur de chaleur. Cet ´echangeur est connect´e `a un circuit d’eau `a temp´erature contrˆol´ee par un refroidisseur TERMOTEK P805 ayant une stabilit´e de ±0.1K.
Des thermocouples de type K, reli´es au boˆıtier d’acquisition National Instrument permettent de mesurer la temp´erature du liquide `a diff´erents endroit de la boucle.
Un capteur KELLER de pression absolue permet de mesurer la pression au niveau de la section d’essai. La pression maximale mesurable est de 3bar avec une pr´ecision de 0.1%. La pression au niveau de la section d’essai est ajust´ee `a 1bar en enlevant ou rajoutant du liquide dans la boucle exp´erimentale. La marge de contrˆole en pression est limit´ee `a environ 200-300 mbar autours de 1 bar. Quand la pression d´epasse 1,3 bar, il n’est pas possible de se ramener `a la pression atmosph´erique et il faut en tenir compte pour la temp´erature de saturation du liquide.