Ébullition de transition – ébullition partielle
Catégorisation par la température de surchauffe des murs, ΔT sat :
Le travail de pionnier en matière d’ébullition a été effectué 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 fut le premier à identifier différents régimes de piscine en ébullition à l’ aide de son appareil. Il a remarqué que l’ ébullition prend des formes différentes, en fonction de la valeur de la température de surchauffe de la paroi AT sat (également connu comme l’excès de température) , qui est définie comme la différence entre la température de paroi, T paroi et la température de saturation, T sat .
On observe quatre régimes différents d’ébullition en piscine (basés sur l’excès de température):
- Point d’ébullition par convection naturelle ΔT sat <5 ° C
- Nucléate en ébullition 5 ° C < ΔT sat <30 ° C
- Transition d’ébullition 30 ° C < ΔT sat <200 ° C
- Film en ébullition 200 ° C < ΔT sat
Ébullition de transition
Le 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, le passage à l’ébullition du film est généralement inévitable.
Flux thermique critique
Comme 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.
Flux thermique minimal – Leidenfrost Point
Le 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:
où
- q min – flux thermique minimal [W / m 2 ]
- h 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
Effet Leidenfrost
L’ effet Leidenfrost est un phénomène physique dans lequel un liquide, au contact proche d’une masse significativement plus chaude (par exemple une goutte d’eau dans une casserole chaude) que le point d’ébullition du liquide, produit une couche de vapeur isolante empêchant ce liquide de bouillir rapidement. Le fait qu’une goutte d’eau dure longtemps lorsqu’elle est déposée sur un métal beaucoup plus chaud que la température d’ébullition de l’eau a été signalé pour la première fois par Hermann Boerhaave en 1732. Elle n’a été étudiée en profondeur qu’en 1756 lorsqu’un médecin allemand Johann Gottlob Leidenfrost a publié ” A Traitez de certaines qualités de l’eau courante. ”
Cet effet peut être couramment démontré pendant la cuisson lorsque l’on asperge des gouttes d’eau dans une casserole pour mesurer sa température: si la température de la casserole est au niveau ou au-dessus du point de dégivrage de Leiden, l’eau skitte à travers la casserole et prend plus de temps à s’évaporer que dans une casserole en dessous de la température du point Leidenfrost (mais toujours au-dessus de la température d’ébullition). Le 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. L’effet Leidenfrost est également responsable de la capacité de l’azote liquide à skitter à travers les planchers.
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