Qu’est-ce que l’ébullition de film – Définition

En ébullition pelliculaire, le flux de chaleur fait en sorte qu’un film de vapeur recouvre complètement la surface. Cela réduit considérablement le coefficient de convection. Ébullition de film

Ébullition de film

Courbe d'ébullition - Modes d'ébullitionLe flux de chaleur d’ébullition nucléée ne peut pas être augmenté indéfiniment. Nous appelons cela un « flux de chaleur critique » ( CHF ), la vapeur produite peut former une couche isolante sur la surface, ce qui détériore le coefficient de transfert de chaleur. En effet, une grande partie de la surface est recouverte d’un film de vapeur qui joue le rôle d’isolant 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 une ébullition de transition se produit. La transition de l’ébullition nucléée à l’ébullition pelliculaire est appelée « crise d’ébullition ». Au-delà du point CHF, le coefficient de transfert de chaleur diminue, lele passage à l’ébullition de film est généralement inévitable.

Film Bouillant - Modes d'ébullitionUne augmentation supplémentaire du flux thermique amène un film de vapeur à recouvrir complètement la surface. Cela réduit considérablement le coefficient de convection, car la couche de vapeur a une capacité de transfert de chaleur considérablement plus faible. En conséquence, la température excessive atteint une valeur très élevée. Au-delà du point de Leidenfrost , un film de vapeur continu recouvre la surface et il n’y a pas de contact entre la phase liquide et la surface. Dans cette situation, le transfert de chaleur s’effectue à la fois par rayonnement et par conduction à la vapeur. Si le matériau n’est pas assez solide pour supporter cette température, l’équipement tombera en panne en endommageant le matériau. Ce phénomène est également appelé épuisement professionnel. Dans les réacteurs à eau sous pressionL’une des principales exigences en matière de sécurité (peut-être la plus importante) est qu’aucune dérogation à l’ébullition nucléée (DNB) ne se produira pas pendant le fonctionnement en régime permanent, les transitoires de fonctionnement normaux et les occurrences de fonctionnement anticipées (AOO). L’intégrité de la gaine de combustible sera maintenue si le DNBR minimum reste au-dessus de la limite du DNBR 95/95 pour les REP (probabilité de 95% à un niveau de confiance de 95%). Ce phénomène détériorant le coefficient de transfert de chaleur et le flux de chaleur restant, la chaleur s’accumule dans la barre de combustible, ce qui provoque une augmentation considérable de la gaine et de la température du carburant . Simplement une très haute différence de température est nécessaire pour transférer le flux de chaleur critique produit de la surface de la barre de combustible vers le fluide de refroidissement du réacteur (à travers la couche de vapeur).

Il y a ébullition du film lorsque la pression d’un système baisse ou que le débit diminue. Dans ce cas, les bulles ne peuvent pas s’échapper aussi rapidement de la surface de transfert de chaleur. De même, si la température de la surface de transfert de chaleur augmente, davantage de bulles sont créées. Au fur et à mesure que la température augmente, il se forme plus de bulles qu’il n’en est possible d’éliminer efficacement. Les bulles grossissent et se regroupent, recouvrant de petites zones de la surface de transfert de chaleur d’un film de vapeur. Ceci est connu comme un film partiel bouillant .

Les sections suivantes décrivent:

 

Crise d’ébullition – Flux thermique critique

Sécher vs DNBComme cela a été écrit, dans les réacteurs nucléaires , les limitations du flux de chaleur local sont de la plus haute importance pour la sûreté des réacteurs. Pour les réacteurs à eau sous pression et également pour les réacteurs à eau bouillante , il existe des phénomènes thermohydrauliques qui provoquent une baisse brutale de l’ efficacité du transfert de chaleur (plus précisément du coefficient de transfert de chaleur ). Ces phénomènes se produisent à une certaine valeur du flux de chaleur, connue sous le nom de « flux de chaleur critique ». Les phénomènes qui provoquent la détérioration du transfert de chaleur sont différents pour les REP et pour les REB.

Dans les deux types de réacteurs, le problème est plus ou moins associé au départ de l’ébullition nucléée. 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. Immédiatement après que le flux de chaleur critique a été atteint, l’ébullition devient instable et l’ébullition en film se produit. La transition de l’ébullition nucléée à l’ébullition pelliculaire est connue sous le nom de « crise d’ébullition ». Comme cela a été écrit, les phénomènes qui provoquent la détérioration du transfert de chaleur sont différents pour les REP et pour les REB.

Départ de l’ébullition nucléée – DNB

DNBR - Écart par rapport au ratio d'ébullition nuclééDans 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 . 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).

Dans le cas des REP, le flux critique est un flux annulaire inversé , tandis que dans les REP, le flux critique est généralement un flux annulaire. La différence de régime d’écoulement entre l’écoulement post-dessèchement et l’écoulement post-DNB est illustrée sur la figure. Dans les REP en fonctionnement normal, le débit est considéré comme monophasé. Mais de nombreuses études ont été menées sur la nature des écoulements diphasiques en cas de transitoires et d’accidents (tels que l’ accident de perte de liquide de refroidissement – LOCA ou déclenchement de RCP ), qui sont importants pour la sûreté des réacteurs et doit être prouvée et déclarée dans le rapport d’analyse de la sécurité (SAR).

Dans les réacteurs à eau sous pression, l’une des principales exigences de sécurité est qu’un écart par rapport à l’ébullition nucléée (DNB) ne se produira pas 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%). Le critère DNB est l’un des critères d’acceptation dans les analyses de sécurité et il constitue l’une des limites de sécurité dans les spécifications techniques.

Assèchement – REB

Ébullition en flux - séchageDans les REB, un phénomène similaire est connu sous le nom de «dessèchement» et il est directement associé aux changements du schéma d’écoulement lors de l’évaporation dans la région de haute qualité. À des combinaisons données de débit à travers un canal, de pression, de qualité d’écoulement et de taux de chaleur linéaire, le film liquide de la paroi peut s’épuiser et la paroi peut être séchée . Normalement, 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 augmentation drastique de la température de surface du carburant . Dans la région de haute qualité, la crise se produit à un flux de chaleur plus faible. Étant donné que la vitesse d’écoulement dans le noyau de vapeur est élevée, le transfert de chaleur après CHF est bien meilleur que pour un flux critique de faible qualité (c’est-à-dire que pour les REP, les augmentations de température sont plus élevées et plus rapides).

Départ de Film Boiling – Leidefrost Point

Leidenfrost PointLe point Leidenfrost , qui correspond au flux de chaleur minimal , présente un intérêt pratique car il représente la limite inférieure du flux de chaleur dans le régime d’ébullition du film. Si le flux de chaleur tombe en dessous de ce minimum, le film s’effondrera, provoquant le refroidissement de la surface et le rétablissement de l’ébullition nucléée. Par conséquent, à ce stade, le retour à l’ébullition nucléée (RNB) se produit. Les termes trempe, flux de chaleur minimum, retour à l’ébullition nucléée, départ de l’ébullition du film, effondrement de l’ébullition du film et point Leidenfrost ont été utilisés de manière interchangeable pour désigner diverses formes de remouillage, mais ils ne sont pas exactement synonymes.

En utilisant la théorie de la stabilité, Zuber a dérivé l’expression suivante pour le flux de chaleur minimum (et le point Leidenfrost correspondant ) pour une grande plaque horizontale:

leidenfrost point - équation

  • min – flux thermique minimal [W / m 2 ]
  • fg  – enthalpie de vaporisation, J / kg
  • g – accélération gravitationnelle m / s 2
  • ρ l – densité du liquide kg / m 3
  • ρ v – densité de vapeur kg / m 3
  • σ – interface tension liquide-vapeur de surface N / m

 

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