Experimental study of flow boiling in horizontal minichannels at high saturation temperature

par Romain Charnay

Thèse de doctorat en Thermique énergétique

Sous la direction de Jocelyn Bonjour et de Rémi Revellin.

Soutenue le 18-02-2014

à Lyon, INSA , dans le cadre de Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (MEGA) (Villeurbanne) , en partenariat avec CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône) (laboratoire) et de Centre de Thermique de Lyon / CETHIL (laboratoire) .

Le président du jury était John Richard Thome.

Le jury était composé de Jocelyn Bonjour, Rémi Revellin, John Richard Thome, Catherine Colin, Davide Del Col, David Brutin, Colin-Yann Jacquin.

Les rapporteurs étaient Catherine Colin, Davide Del Col.

  • Titre traduit

    Etude expérimentale de l'ébullition convective dans des mini-canaux horizontaux à hautes températures de saturation


  • Résumé

    La valorisation de l'énergie thermique contenue dans des gaz chauds pour produire de l'électricité est possible grâce à l'utilisation de cycles thermodynamiques, parmi lesquels le cycle de Rankine mérite d'être considéré. Cependant, l'industrialisation d'un tel système passe par une connaissance approfondie du comportement thermohydraulique du fluide actif. Ceci permettra d'améliorer le design des principaux composants du système, spécialement les échangeurs de chaleur. Dans le cas du cycle organique de Rankine, les conditions thermodynamiques du fluide sont éloignées des conditions usuelles rencontrées dans les domaines de la climatisation ou de la réfrigération. En effet, le fluide est mis en œuvre dans des conditions proches de son point critique. La température des gaz d'échappement varie entre 400°C et 900°C et l'évaporation se produit à une température de saturation supérieure à 100°C. En ce qui concerne les caractéristiques des écoulements diphasiques (chute de pression, coefficient de transferts thermiques, régimes d'écoulement), la quasi-totalité des méthodes de prédiction a été développée pour des températures comprises entre -20°C et 40°C correspondantes aux domaines de la climatisation ou de la réfrigération. C'est pourquoi la fiabilité de ces modèles reste incertaine dans les conditions d'évaporation du cycle de Rankine, car leur utilisation est limitée par la base de données à partir de laquelle ils ont été établis et ne peuvent être extrapolés avec précision. Cette thèse vise à étudier les caractéristiques thermohydrauliques du R-245fa en ébullition convective dans les conditions du cycle de Rankine. Dans un premier temps, un banc expérimental a été conçu et construit afin de réaliser des tests en ébullition convective dans un minicanal de 3.00 mm de diamètre. Ce banc expérimental permet de faire des mesures sur les régimes d'écoulement, les coefficients de transfert de chaleur et les pertes de charge par frottement. Dans un second temps, une méthode de traitement d'image a été développée afin de caractériser différents régimes d'écoulement. Cette méthode couplée à une analyse des transferts thermiques a permis d'identifier quatre principaux régimes d'écoulement. L'influence de la température de saturation sur les régimes d'écoulement et leurs transitions a été soulignée et discutée. Les caractéristiques des bulles ont également été étudiées à l'aide de cette méthode. Dans un troisième temps, une base de données expérimentale sur les coefficients de transfert de chaleur a été créée. L'influence de la température de saturation sur les mécanismes de transfert thermique a été étudiée dans ces conditions originales. Afin de tester la fiabilité des méthodes de prédiction, les résultats expérimentaux ont été confrontés à différentes méthodes. Finalement, les chutes de pressions ont été mesurées et une analyse paramétrique a été menée. Les mesures ont été confrontées aux principales méthodes disponibles dans la littérature.


  • Résumé

    Because of current environmental issues, some technologies are being developed to reduce the fuel consumption and to reduce the emissions of CO2. Energy recovery by means of Organic Rankine Cycles or Hirn Cycles recovery is one investigated track to answer these issues. At present, some systems based on Organic Rankine Cycle (ORC) are available in industry but advanced studies are needed to allow their application in the road transport industry. A better understanding of the two-phase fluid behaviour is necessary to optimize the design models of the components containing a two-phase refrigerant. For the Organic Rankine Cycle system, the thermodynamic conditions are different to standards relevant to refrigeration or air-conditioning systems. Indeed, the key characteristic of the ORC system is the evaporation saturation temperature. Exhaust gases temperature ranges from 400°C to 900°C and the refrigerant evaporation occurs at temperatures higher than 100°C. Almost all the flow boiling heat transfer models or correlations have been obtained for saturation temperatures ranging from -20°C to 40°C which correspond to standards relevant to refrigeration or air conditioning systems. The empirical models for boiling in such conditions are limited by the experimental data on which they are based, whereas analytical and theoretical approaches are needed to advanced knowledge on the behaviour of thermohydraulic two-phase refrigerant. This PhD thesis aims at studying the flow boiling characteristics of R-245fa in a 3.00 inner diameter channel in the thermodynamic conditions of the ORC system. Therefore, the saturation temperature ranged from 60°C to 120°C. To achieve this goal, an experimental test facility was designed and built to conduct refrigerant evaporation experiments. This test facility allowed to perform flow regime visualizations, pressure drop and heat transfer measurements in minichannel. First, an image processing method for two phase flow pattern characterization was developed. Based on this method and with the help of an adequate analysis of the heat transfer coefficient, the main flow regimes have been identified. The influence of saturation temperature on the flow patterns and their transitions has been highlighted. The second objective was to provide new experimental data concerning flow boiling heat transfer in minichannel. Flow boiling heat transfer coefficients at such high temperature have, so to say, almost never been reported in the open literature so far. The influence of saturation temperature on the heat transfer mechanisms has been discussed. In order to evaluate the capability of the current flow boiling prediction methods to predict the heat transfer coefficient, the comparison between experimental results and theoretical results predicted with the commonly used correlations and models were made. Lastly, pressure drop databases are presented. Experimental values of pressure drops were compared against several methods.


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