Ébullition convective du Dioxyde de Carbone : étude expérimentale en micro-canal

= Carbon dioxide flow boiling : experimental investigation in a microchannel

• Auteur / Autrice : Maxime Ducoulombier
• Direction : Philippe Haberschill
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique et thermique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Échangeurs Thermiques. Commissariat à l’Énergie Atomique (Grenoble)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (France)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hein Auracher, Rémi Revellin, Lounès Tadrist
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Gradeck, Francis Meunier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluides frigorigènes

Diffusivité thermique

Transfert de chaleur

Résumé

Les préoccupations relatives à la destruction de la couche d’ozone et au réchauffement climatique ont suscitées un regain d’intérêt pour l’usage du dioxyde de carbone comme fluide frigorigène. La présente étude a pour objectif de synthétiser l’état des connaissances sur l’ébullition convective du CO2 mais aussi d’élargir l’investigation à des conditions nouvelles. Les données d’échanges thermiques disponibles dans la littérature sont analysées en fonction du diamètre du canal et de la température de saturation. Une réflexion est proposée sur les mécanismes physiques, y compris les configurations d’écoulement, qui influencent les échanges thermiques et qui leur donnent des caractéristiques particulières. La validité des méthodes de prédiction du coefficient d’échange thermique et des pertes de pression est discutée pour le cas du CO2. Du point de vue expérimental, une section d’essai a été mise au point pour étudier l’évaporation du CO2 dans un micro-canal de 0,529 mm de diamètre. Des mesures de pertes de pression et du coefficient d’échange thermique local ont été obtenues principalement pour trois températures de saturation, - 10 ; -5 et 0 °C, trois densités de flux thermique, 10 ; 20 et 30 kW/m2, et pour des vitesses massiques comprises entre 200 et 1200 kg/m2. S. Les résultats des principales méthodes de prédiction sont comparés à nos mesures et de nouvelles approches corrélatives sont proposées. L’évaporation convective (en opposition à l’ébullition nucléée) semble jouer un rôle important dans les échanges thermiques. Par ailleurs, une augmentation inattendue du titre de début d’assèchement avec la vitesse massique a été observée pour une température de - 10 °C.

Environmental concerns regarding ozone depletion and global warming induced a renewed interest in the use of carbon dioxide as a refrigerant. The aim of the present study is to do a synthesis of the current knowledge on CO2 flow boiling. The purpose is also to extend the experimental investigation to new conditions. Heat transfer data from the open literature have been analysed depending on the channel diameter and the saturation temperature. A reflection is presented on the physical phenomena, including flow patterns, playing a part in the heat transfer and leading to specific behaviours. Regarding the available methods to predict the heat transfer coefficient and the pressure drop, their adequacy is also discussed for the case of CO2. Concerning the experimental work, a test section was set up so as to study the CO2 vaporisation in a single 0. 529 mm tube. Local heat transfer coefficient and pressure drop data were obtained mainly for three saturation temperatures, i. E. -10; -5 and 0 C, three heat fluxes, i. E. 10; 20 and 30 kW/m2, and for mass velocities ranging from 200 to 1200 kg/m2. S. Results from well know prediction methods are compared to our measurements, and new correlative approaches are also suggested. It seems that convective vaporisation (as opposed to nucleate boiling) represents an important contribution to the heat transfer. Moreover, an unexpected increase of the dryout inception quality when the mass flux rises is observed for a temperature of - 10 C.