Qu’est-ce qu’une piscine en ébullition – Courbe d’ébullition – Définition

Pool Boiling – Curling Curve

Comme il a été écrit, la configuration la plus courante, appelée bouillie en piscine, est celle où une piscine de liquide est chauffée par le dessous à travers une surface horizontale. Dans la piscine 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 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

Ces régimes sont illustrés sur la courbe d’ébullition de la figure, qui représente l’ évolution du flux de chaleur en fonction de la température en excès. Bien que la courbe d’ébullition donnée dans cette figure concerne l’eau, la forme générale de la courbe d’ébullition reste la même pour différents liquides de refroidissement. Notez que la forme spécifique de la courbe dépend également des paramètres du système, tels que la pression et le débit de liquide de refroidissement, mais elle est pratiquement indépendante de la géométrie de la surface chauffante.

Ébullition nucléée

L’ébullition locale la plus courante rencontrée dans les installations nucléaires est l’ ébullition nucléée . Mais dans le cas des réacteurs nucléaires, une ébullition nucléée se produit à des débits importants à travers le réacteur. 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. Comme il a été écrit, ébullition nuclééeà la surface perturbe efficacement cette couche stagnante et, par conséquent, l’ébullition nucléée améliore considérablement  la capacité d’une surface à transférer l’ énergie thermique au fluide en vrac. 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».

Près de la paroi, la situation est complexe car plusieurs mécanismes augmentent le flux de chaleur au-dessus de celui de la conduction pure à travers le liquide.

1. A noter 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. Le flux ascendant (dû aux forces de flottabilité) de la vapeur loin du mur doit être équilibré par un flux massique égal de liquide, ce qui rapproche le liquide plus frais du mur.
2. La formation et le mouvement des bulles turbulent le liquide près de la paroi et augmentent ainsi le transfert de chaleur de la paroi au liquide.
3. L’ébullition diffère des autres formes de convection en ce qu’elle dépend 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 essentiellement à température constante.

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 comme la « crise de l’ébullition ». Depuis au-delà du CHFpoint le coefficient de transfert de chaleur diminue, la transition vers l’ ébullition du film est généralement inévitable.

Crise d’ébullition – 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.