Transferts de chaleur transitoires dans une boucle diphasique de circulation en hélium

Évolution en fonction du temps, et pour différents flux de chaleur dans le tube de 10 mm, de la température à la hauteur de 92 cm dans la boucle (à gauche) et du débit massique total (à droite). À flux croissant, la figure de gauche montre l’ébullition nucléée stable, la crise d’ébullition instable et pour les flux les plus grands l’ébullition en film stable.



Nous avons mené des expériences sur une boucle de circulation naturelle diphasique de l'hélium, avec un état initial statique, soumis à des pulses de chaleur en paroi. Ce type de pulses de chaleur constitue une des sollicitations les plus violentes pour le système de refroidissement. Ces expériences nous ont permis d'étudier les différentes régimes thermo-hydrauliques de la boucle et de transfert de chaleur sur la paroi de la section chauffée et plus particulièrement la transition vers l’ébullition en film en transitoire (crise d’ébullition). Dans tous les cas, et jusqu’à 3 500 W/m², l’ébullition nucléée a été observée, que ce soit de manière stable en l'absence de crise ou pendant un laps de temps fini avant le début de la crise d'ébullition. La crise d'ébullition en régime transitoire a pu être observée pour les deux sections d'essai utilisées (diamètres de 6 et 10 mm). Dans certains cas, la crise d'ébullition est seulement temporaire, et dans d'autres cas elle reste stable. Les valeurs de flux critique (CHF) transitoires ont été déterminées. La crise d'ébullition temporaire a été observée pour des valeurs de flux de chaleur inférieures de 17 % (10 mm) et inférieures de 35 % (6 mm) à celles du régime permanent. La crise d'ébullition stable a été observée à une puissance allant jusqu'à 23 % de moins que le CHF pour la section de 6 mm de diamètre.

 

La prématurité de la crise d'ébullition met en évidence que la crise d'ébullition doit être considérée différemment en régime transitoire et en régime permanent. Un temps critique a été systématiquement calculé à partir des données. Sa dépendance à l'égard du flux de chaleur a permis d'identifier différents mécanismes qui peuvent déclencher la crise d'ébullition. Nous pouvons distinguer principalement deux d'entre eux. Le premier est identique à celui qui provoque la crise en régime permanent, lorsque la puissance est augmentée lentement. Ce mécanisme repose sur des phénomènes stochastiques sur la surface chauffée et produit de longues périodes critiques. Il n’est pas du tout observé pour des flux de chaleur inférieurs au CHF. L'autre est un mécanisme directement relié à la boucle de circulation naturelle.

 

Au cours de la phase initiale du transitoire, l'injection soudaine de puissance produit la dilatation du fluide à l'intérieur de la partie chauffée provoquant une expulsion du fluide par les deux extrémités de la section. Comme aucun liquide froid ne pénètre, l'évolution de la section chauffée est uniforme et des valeurs élevées de qualité ou fraction de vide peuvent être atteintes. Ceci empêche l'élimination de la vapeur en paroi et crée la crise en paroi. Le commencement de la crise d'ébullition ne peut pas être expliqué si nous ne prenons pas en compte l’étape du transitoire dans lequel le front froid pénètre et se déplace le long de la section chauffée. Expérimentalement nous avons pu vérifier qu'il est nécessaire qu'une valeur critique de fraction de vapeur locale soit atteinte avant que le front froid n’atteigne l’endroit de la crise.

 

 

Maj : 25/07/2017 (4126)

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