Qu’est-ce que l’ébullition – Caractéristiques d’ébullition – Définition

Ébullition

Dans les chapitres précédents, nous avons discuté du transfert de chaleur par convection avec une hypothèse très importante. Nous avons supposé un transfert de chaleur convectif monophasé sans aucun changement de phase. Dans ce chapitre, nous nous concentrons sur le transfert de chaleur par convection associé au changement de phase d’un fluide . En particulier, nous considérons les processus qui peuvent se produire à une interface solide-liquide ou solide-vapeur, à savoir l’ ébullition (changement de phase liquide-vapeur) et la condensation ( changement de phase vapeur-liquide).

Dans ces cas, les effets de la chaleur latente associés au changement de phase sont importants. La chaleur latente , également connue sous le nom d’enthalpie de vaporisation, est la quantité de chaleur ajoutée ou retirée d’une substance pour produire un changement de phase. Cette énergie décompose les forces d’attraction intermoléculaires, et doit également fournir l’énergie nécessaire à l’expansion du gaz (le travail pΔV ). Lorsque de la chaleur latente est ajoutée, aucun changement de température ne se produit.

L’ enthalpie de vaporisation est fonction de la pression à laquelle cette transformation a lieu.

Chaleur latente de vaporisation – eau à 0,1 MPa (pression atmosphérique)

h _lg = 2257 kJ / kg

Chaleur latente de vaporisation – eau à 3 MPa

h _lg = 1795 kJ / kg

Chaleur latente de vaporisation – eau à 16 MPa (pression à l’intérieur d’un pressuriseur )

h _lg = 931 kJ / kg

La chaleur de vaporisation diminue avec l’augmentation de la pression, tandis que le point d’ébullition augmente. Elle disparaît complètement à un certain point appelé le point critique . Au-dessus du point critique, les phases liquide et vapeur sont indiscernables et la substance est appelée fluide supercritique .

Le passage du liquide à l’état de vapeur dû à l’ ébullition est soutenu par le transfert de chaleur de la surface solide; à l’inverse, la condensation d’une vapeur à l’état liquide entraîne un transfert de chaleur vers la surface solide. L’ébullition et la condensation diffèrent des autres formes de convection en ce qu’elles dépendent de la chaleur latente de vaporisation , qui est très élevée pour les pressions courantes , donc de grandes quantités de chaleur peuvent être transférées pendant l’ébullition et la condensation essentiellement à température constante. Les coefficients de transfert de chaleur , h, associés à l’ ébullition et à la condensation sont généralement beaucoup plus élevésque ceux rencontrés dans d’autres formes de processus de convection qui impliquent une seule phase.

Cela est dû au fait que, même en écoulement turbulent , il existe une couche de film fluide stagnant (sous-couche laminaire), qui isole la surface de l’échangeur de chaleur. Cette couche de film fluide stagnant joue un rôle crucial pour le coefficient de transfert de chaleur convectif. On observe que le fluide s’arrête complètement à la surface et prend une vitesse nulle par rapport à la surface. Ce phénomène est connu sous le nom de condition antidérapante et donc, à la surface, le flux d’énergie se produit uniquement par conduction. Mais dans les couches suivantes, il se produit à la fois un mouvement de conduction et de diffusion-masse au niveau moléculaire ou au niveau macroscopique. En raison du mouvement de masse, le taux de transfert d’énergie est plus élevé. Comme il a été écrit,l’ébullition nucléée à la surface perturbe efficacement cette couche stagnante et, par conséquent, l’ébullition nucléée augmente considérablement la capacité d’une surface à transférer de l’énergie thermique au fluide en vrac.

Modes d’ébullition – Types d’ébullition

D’un point de vue technique pratique, l’ ébullition peut être classée selon plusieurs critères .

Catégorisation par le régime d’écoulement:

• Ébullition de la piscine . La configuration la plus courante, connue sous le nom d’ ébullition de la piscine, est peut-être lorsqu’un bassin de liquide est chauffé par le bas à travers une surface horizontale. En ébullition, le liquide est au repos et son mouvement près de la surface est principalement dû à la convection naturelle et au mélange induit par la croissance et le détachement des bulles. Le travail de pionnier sur l’ébullition de la piscine a été réalisé en 1934 par  S. Nukiyama. Il a été le premier à identifier quatre régimes différents bien connus  d’ébullition en piscine à l’  aide de son appareil.

• Ébullition d’écoulement. En ébullition (ou ébullition par convection forcée), l’écoulement de fluide est forcé sur une surface par des moyens externes tels qu’une pompe , ainsi que par des effets de flottabilité. Par conséquent, l’ ébullition du flux s’accompagne toujours d’autres effets de convection. Les conditions dépendent fortement de la géométrie, ce qui peut impliquer un écoulement externe sur des plaques et des cylindres chauffés ou un écoulement interne (conduit). Dans les réacteurs nucléaires , la plupart des régimes d’ébullition sont simplement des ébullitions à convection forcée.

Catégorisation par la température de surchauffe du mur, ΔT _sat :

Le travail de pionnier sur l’ébullition a été fait en 1934 par S. Nukiyama , qui a utilisé des fils de nichrome et de platine chauffés électriquement immergés dans des liquides dans ses expériences. Nukiyama a été le premier à identifier différents régimes d’ébullition de la piscine à l’ aide de son appareil. Il a remarqué que l’ébullition prend différentes formes, en fonction de la valeur de la température de surchauffe du mur ΔT _sat (connue également sous le nom de surchauffe) , qui est définie comme la différence entre la température du mur, T _wall et la température de saturation, T _sat .

Quatre régimes d’ébullition différents de l’ébullition en piscine (basés sur la température excessive) sont observés:

• Ebullition par convection naturelle                             ΔT _sat <5 ° C
• Nucleate Ebullition                                    5 ° C < ΔT _sat <30 ° C
• Ébullition de transition                                 30 ° C < ΔT _sat <200 ° C
• Film bouillant                                         200 ° C < ΔT _sat

Description des modes d’ébullition :

• Ébullition par convection naturelle. En thermodynamique , l’exigence d’ ébullition des substances pures est que T _wall = T _sat . Mais dans les expériences réelles, l’ébullition ne se produit que lorsque le liquide est chauffé à quelques degrés au-dessus de la température de saturation. La température de surface doit être légèrement supérieure à la température de saturation afin de maintenir la formation de vapeur. Dans ce mode d’ébullition , de la vapeur sera observée à la surface de l’eau, mais généralement pas de bullessera observée. Au fur et à mesure que la température de surchauffe augmente, la création de bulles finira par se produire, mais en dessous du point A, le mouvement du fluide est principalement déterminé par les courants de convection naturels. Le point A est généralement appelé début de l’ébullition nucléée – ONB .
• Nucleate Boiling. L’ébullition locale la plus courante rencontrée dans les installations nucléaires est l’ ébullition nucléée . Dans l’ ébullition nucléée , des bulles de vapeur se forment à la surface de transfert de chaleur, puis se détachent et sont transportées dans le courant principal du fluide. Un tel mouvement améliore le transfert de chaleur car la chaleur générée à la surface est directement transportée dans le flux de fluide. Une fois dans le flux de fluide principal, les bulles s’effondrent parce que la température globale du fluide n’est pas aussi élevée que la température de la surface de transfert de chaleur où les bulles ont été créées. Ce processus de transfert de chaleur est parfois souhaitable car l’énergie créée à la surface de transfert de chaleur est rapidement et efficacement «emportée».
• Ébullition de transition. Le flux de chaleur d’ébullition nucléée ne peut pas être augmenté indéfiniment. À une certaine valeur, nous l’appelons le « flux de chaleur critique » ( CHF ), la vapeur produite peut former une couche isolante sur la surface, qui à son tour détériore le coefficient de transfert de chaleur. En effet, une grande partie de la surface est recouverte d’un film de vapeur, qui agit comme une isolation thermique en raison de la faible conductivité thermique de la vapeur par rapport à celle du liquide. Immédiatement après que le flux de chaleur critique a été atteint, l’ ébullition devient instable et l’ ébullition de transition se produit. La transition de l’ébullition nucléée à l’ébullition pelliculaire est connue sous le nom de « crise d’ébullition“. Étant donné qu’au-delà du point CHF, le coefficient de transfert de chaleur diminue, la transition vers l’ébullition du film est généralement inévitable.
• Faire bouillir le film. Une nouvelle augmentation du flux de chaleur fait qu’un film de vapeur recouvre la surface. Cela réduit considérablement le coefficient de convection, car la couche de vapeur a une capacité de transfert de chaleur nettement inférieure. En conséquence, la température excessive atteint une valeur très élevée. Au-delà du point Leidenfrost , un film de vapeur continu recouvre la surface et il n’y a aucun contact entre la phase liquide et la surface. Dans cette situation, le transfert de chaleur se fait à la fois par rayonnement et par conduction vers la vapeur. Si le matériau n’est pas suffisamment solide pour résister à cette température, l’équipement tombera en panne en endommageant le matériau. Ce phénomène est également connu sous le nom de burn out. Dans les réacteurs à eau sous pression, l’une des principales exigences de sécurité (peut-être la plus importante) est qu’aucun écart par rapport à l’ébullition nucléée ( DNB ) ne se produira pendant le fonctionnement en régime permanent, les transitoires opérationnels normaux et les événements opérationnels prévus (AOO). L’intégrité de la gaine de combustible sera maintenue si le DNBR minimum reste supérieur à la limite DNBR 95/95 pour les REP (une probabilité de 95% à un niveau de confiance de 95%). Étant donné que ce phénomène détériore le coefficient de transfert de chaleur et que le flux de chaleur reste, la chaleur s’accumule ensuite dans le crayon de combustible, provoquant une augmentation spectaculaire de la gaine et de la température du combustible. Simplement, une différence de température très élevée est nécessaire pour transférer le flux de chaleur critique produit de la surface du crayon de combustible au réfrigérant du réacteur (à travers la couche de vapeur).

Catégorisation par la température de _sous- refroidissement, ΔT _sub .

L’ébullition peut également être classée selon qu’elle est sous-refroidie ou saturée:

• Ébullition sous-refroidie. En ébullition sous-refroidie , la température de la majeure partie du liquide est inférieure à la température de saturation et les bulles formées à la surface peuvent se condenser dans le liquide. Cette condensation (effondrement) produit un son de fréquence ~ 100 Hz – 1 KHz. C’est pourquoi une bouilloire électrique fait le plus de bruit avant que l’eau arrive à ébullition saturée. Le terme sous- refroidissement fait référence à un liquide existant à une température inférieure à son point d’ébullition normal.
• Ébullition saturée . En ébullition saturée (également appelée ébullition en vrac ), la température du liquide dépasse légèrement la température de saturation. Une ébullition en masse peut se produire lorsque la température du système augmente ou que la pression du système chute au point d’ébullition. À ce stade, les bulles entrant dans le canal de refroidissement ne s’effondreront pas. Les bulles auront tendance à se rejoindre et à former de plus grosses bulles de vapeur. Les bulles de vapeur sont ensuite propulsées à travers le liquide par les forces de flottabilité, pour finalement s’échapper d’une surface libre.

Ébullition dans les réacteurs nucléaires

Ébullition dans les REB

Dans les REB, l’ ébullition du liquide de refroidissement se produit en fonctionnement normal et c’est un phénomène très souhaité. Les qualités d’écoulement typiques dans les noyaux BWR sont de l’ordre de 10 à 20%. Un réacteur à eau bouillante est refroidi et modéré par de l’eau comme un PWR, mais à une pression inférieure (7 MPa), ce qui permet à l’eau de bouillir à l’intérieur de l’ enceinte sous pression produisant la vapeur qui fait fonctionner les turbines. L’évaporation se produit donc directement dans les canaux de combustible. Par conséquent, les REB sont le meilleur exemple pour cette zone, car l’évaporation du liquide de refroidissement se produit en fonctionnement normal et c’est un phénomène très souhaité.

Dans les REB, il existe un phénomène de la plus haute importance pour la sûreté des réacteurs . Ce phénomène est connu sous le nom de «tarissement» et il est directement associé aux changements dans le schéma d’écoulement lors de l’évaporation dans la région de haute qualité. À la normale, la surface du carburant est efficacement refroidie par ébullition du liquide de refroidissement. Cependant, lorsque le flux de chaleur dépasse une valeur critique (CHF – flux de chaleur critique), le schéma d’écoulement peut atteindre les conditions de séchage (une mince couche de liquide disparaît). Le transfert de chaleur de la surface du carburant vers le liquide de refroidissement est détérioré, avec pour résultat une température de surface du carburant considérablement augmentée .

Ébullition dans les REP

Bien que les premières conceptions de cœur supposaient que l’ébullition de surface ne pouvait pas être autorisée dans les REP , cette hypothèse a rapidement été rejetée et le transfert de chaleur en deux phases est désormais l’un des mécanismes de transfert de chaleur en fonctionnement normal également dans les REP. Pour les REP en fonctionnement normal, il y a une eau liquide comprimée à l’ intérieur du cœur du réacteur, des boucles et des générateurs de vapeur. La pression est maintenue à environ 16 MPa . À cette pression, l’eau bout à environ 350 ° C (662 ° F). Comme cela a été calculé dans l’exemple , la température de surface T _{Zr, 1} = 325 ° C garantit que même une ébullition sous-refroidie ne se produit pas. Notez que l’ébullition sous-refroidie nécessite T _{Zr, 1} = T _sat. Étant donné que les températures d’entrée de l’eau sont généralement d’environ 290 ° C (554 ° F), il est évident que cet exemple correspond à la partie inférieure du cœur. Aux altitudes plus élevées du cœur, la température globale peut atteindre jusqu’à 330 ° C. La différence de température de 29 ° C peut entraîner une ébullition sous-refroidie (330 ° C + 29 ° C> 350 ° C). D’autre part, l’ ébullition nucléée à la surface perturbe efficacement la couche stagnante et, par conséquent, l’ébullition nucléée augmente considérablement la capacité d’une surface à transférer l’ énergie thermique au fluide en vrac. En conséquence, le coefficient de transfert de chaleur convectif augmente considérablement et donc à des altitudes plus élevées, la différence de température (T _{Zr, 1} – T en _vrac ) diminue considérablement.

Dans le cas des REP , le problème de sécurité critique est nommé DNB ( départ de l’ébullition nucléée ), ce qui provoque la formation d’une couche de vapeur locale , entraînant une réduction spectaculaire de la capacité de transfert de chaleur. Ce phénomène se produit dans la région sous-refroidie ou de mauvaise qualité. Le comportement de la crise d’ébullition dépend de nombreuses conditions d’écoulement (pression, température, débit), mais la crise d’ébullition se produit à des flux de chaleur relativement élevés et semble être associée au nuage de bulles, adjacent à la surface. Ces bulles ou film de vapeur réduisent la quantité d’eau entrante. Ce phénomène détériorant le coefficient de transfert de chaleur et le flux thermique restant, la chaleur s’accumule alorsdans la barre de combustible provoquant une augmentation spectaculaire de la gaine et de la température du combustible .

Saturation dans le pressuriseur

Un  pressuriseur  est un composant d’un  réacteur à eau sous pression . La pression dans le circuit primaire  des REP est maintenue par un  pressuriseur , un récipient séparé qui est connecté au circuit primaire (jambe chaude) et partiellement rempli d’eau qui est chauffée à la  température de saturation  (point d’ébullition) pour la pression désirée par une alimentation électrique immergée  radiateurs. La température dans le pressuriseur peut être maintenue à 350 ° C (662 ° F), ce qui donne une marge de sous-refroidissement (la différence entre la température du pressuriseur et la température la plus élevée dans le cœur du réacteur) de 30 ° C. La marge de sous-refroidissement est un paramètre de sécurité très important des REP, car l’ébullition dans le cœur du réacteur doit être exclue. La conception de base du  réacteur à eau sous pression  comprend une telle exigence que le liquide de refroidissement (eau) dans le système de refroidissement du réacteur ne doit pas bouillir. Pour ce faire, le liquide de refroidissement dans le système de refroidissement du réacteur est maintenu à une pression suffisamment élevée pour que l’ébullition ne se produise pas aux températures de refroidissement rencontrées pendant le fonctionnement de l’installation ou dans un transitoire analysé.

Les fonctions

La pression  dans le pressuriseur est contrôlée en faisant varier la température du liquide de refroidissement dans le pressuriseur. À ces fins, deux systèmes sont installés. Système de pulvérisation d’eau  et  système de radiateurs électriques . Le volume du pressuriseur (dizaines de mètres cubes) est rempli d’eau sur les paramètres de saturation et de vapeur. Le système de pulvérisation d’eau (eau relativement froide – provenant d’une jambe froide) peut réduire la pression dans le récipient en  condensant la vapeur  sur les gouttelettes d’eau pulvérisées dans le récipient. D’autre part, les radiateurs électriques immergés sont conçus pour augmenter la pression par  évaporation de l’eau  dans le récipient. La pression de l’eau dans un système fermé suit directement la température de l’eau; à mesure que la température augmente, la pression augmente.

Faire bouillir dans le générateur de vapeur

Les générateurs de vapeur sont  des échangeurs de chaleur  utilisés pour convertir l’  eau d’alimentation en vapeur à  partir de la chaleur produite dans un  cœur de réacteur nucléaire . La vapeur produite entraîne la turbine. Ils sont utilisés dans la plupart des centrales nucléaires, mais il en existe de nombreux types selon le  type de réacteur .

Le liquide de refroidissement primaire chaud ( eau 330 ° C; 626 ° F; 16 MPa ) est pompé dans  le générateur de vapeur  par l’entrée primaire. Une haute pression de liquide de refroidissement primaire est utilisée pour maintenir l’eau à l’état liquide. L’ébullition du liquide de refroidissement primaire ne doit pas se produire.  L’eau liquide s’écoule à travers des centaines ou des milliers de tubes (généralement 1,9 cm de diamètre) à l’intérieur du générateur de vapeur. L’eau d’alimentation (circuit secondaire) est chauffée de  ~ 260 ° C 500 ° F  au point d’ébullition de ce fluide  (280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) . La chaleur est transférée à travers les parois de ces tubes vers le liquide de refroidissement secondaire à basse pression situé sur le côté secondaire de l’échangeur où le liquide de refroidissement s’évapore en vapeur sous pression (vapeur saturée 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) . La vapeur sous pression quitte le générateur de vapeur par une sortie de vapeur et continue vers la turbine à vapeur. Le transfert de chaleur se fait sans mélanger les deux fluides pour éviter que le fluide caloporteur secondaire ne devienne radioactif. Le liquide de refroidissement primaire quitte  (eau 295 ° C; 563 ° F; 16 MPa)  le générateur de vapeur par la sortie primaire et continue à travers une jambe froide jusqu’à  une pompe de refroidissement du réacteur  , puis dans le réacteur.