Qu’est-ce que l’ébullition sous-refroidie – Définition

En ébullition

En ébullition , la majeure partie du liquide est à une température inférieure à la température de saturation et des bulles formées à la surface peuvent se condenser dans le liquide . Cette condensation (collapsing) produit un son de fréquence ~ 100Hz – 1 KHz. C’est pourquoi une bouilloire électrique fait le plus de bruit avant que l’eau ne commence à saturer. Le terme sous- refroidissement désigne un liquide existant à une température inférieure à son point d’ébullition normal.

Ébullition sous-refroidie dans les REP

Bien que les premières conceptions de cœur supposaient que l’ ébullition de surface sous –  refroidie 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), ce qui donne une marge de sous-refroidissement (la différence entre la température du pressuriseur et la température de sortie du réfrigérant dans le cœur du réacteur) de 30 ° C. Il convient de noter que cette marge de sous-refroidissement concerne la température en vrac, car l’ébullition en vrac est en tout cas interdite.

La marge de sous-refroidissement est un paramètre de sécurité très important des REP, car l’ébullition en vrac 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.

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 de surface sous – refroidie (330 ° C + 29 ° C> 350 ° C). D’autre part, l’ ébullition nuclééeà 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 .

Nucleate Boiling – Flow Boiling

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. Le point d’ébullition est également classé comme point d’ébullition externe et interne selon que le fluide est forcé de s’écouler sur une surface chauffée ou à l’intérieur d’un canal chauffé.

L’ébullition à écoulement interne est de nature beaucoup plus compliquée que l’ébullition à écoulement externe car il n’y a pas de surface libre pour que la vapeur s’échappe, et donc le liquide et la vapeur sont forcés de s’écouler ensemble. L’écoulement diphasique dans un tube présente différents régimes d’ébullition, en fonction des quantités relatives des phases liquide et vapeur. Par conséquent, l’ébullition par convection forcée interne est communément appelée écoulement diphasique .

Nucleate Boiling Correlations – Flow Boiling

Corrélation McAdams

Dans une ébullition nucléée entièrement développée avec un liquide de refroidissement saturé, la température de la paroi est déterminée par le flux de chaleur local et la pression et ne dépend que légèrement du nombre de Reynolds . Pour l’eau sous-refroidie à des pressions absolues comprises entre 0,1 et 0,6 MPa, la corrélation McAdams donne:

Corrélation de Thom

La corrélation de Thom concerne le débit d’ébullition (sous-refroidi ou saturé à des pressions allant jusqu’à environ 20 MPa) dans des conditions où la contribution d’ébullition nucléée prédomine sur la convection forcée. Cette corrélation est utile pour une estimation grossière de la différence de température attendue compte tenu du flux de chaleur:

Corrélation de Chen

En 1963, Chen a proposé la première corrélation d’ébullition pour l’évaporation dans des tubes verticaux pour atteindre une utilisation généralisée. La corrélation de Chen inclut à la fois les coefficients de transfert de chaleur dus à l’ ébullition nucléée ainsi que les mécanismes de convection forcée. Il faut noter qu’à des fractions de vapeur plus élevées, le coefficient de transfert de chaleur varie fortement avec le débit. La vitesse d’écoulement dans un cœur peut être très élevée provoquant de très fortes turbulences. Ce mécanisme de transfert de chaleur a été appelé «évaporation par convection forcée». Aucun critère adéquat n’a été établi pour déterminer la transition de l’ébullition nucléée à la vaporisation par convection forcée. Cependant, une seule corrélation valable à la fois pour l’ébullition nucléée et la vaporisation par convection forcée a été développée par Chen pour les conditions d’ébullition saturées et étendue pour inclure l’ébullition sous-refroidie par d’autres. Chen a proposé une corrélation où le coefficient de transfert de chaleur est la somme d’une composante de convection forcée et d’une ébullition nuclééecomposant. Il faut noter que la corrélation d’ébullition de la piscine nucléée de Forster et Zuber (1955) est utilisée pour calculer le coefficient de transfert de chaleur d’ébullition nucléée, h _FZ et la corrélation d’écoulement turbulent de Dittus-Boelter (1930) est utilisée pour calculer la phase liquide coefficient de transfert de chaleur par convection, h _l .

Le facteur de suppression de l’ébullition nucléée, S, est le rapport de la surchauffe effective à la surchauffe de la paroi. Il explique la diminution du transfert de chaleur d’ébullition car la surchauffe effective à travers la couche limite est inférieure à la surchauffe en fonction de la température de la paroi. Le multiplicateur diphasique, F, est fonction du paramètre Martinelli χ _tt .