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N° d’ordre : 2010-ISAL-0013 Année 2010 Thèse Ébullition convective du dioxyde d

N° d’ordre : 2010-ISAL-0013 Année 2010 Thèse Ébullition convective du dioxyde de carbone – étude expérimentale en micro-canal Présentée devant L’institut national des sciences appliquées de Lyon Pour obtenir Le grade de docteur Formation doctorale École doctorale : MEGA de Lyon Spécialité : Thermique et Énergétique Par Maxime Ducoulombier Ingénieur de l’Institut Catholique d’Arts et Métiers (ICAM) de Lille Diplômé (M.Sc.A.) de l’École Polytechnique de Montréal Soutenue le 17 février 2010 devant la Commission d’examen Membres du Jury Michel Gradeck Université UHP, Nancy I – LEMTA Rapporteur Francis Meunier CNAM, Paris – IFFI Rapporteur Hein Auracher Technische Universität Berlin Examinateur Rémi Revellin INSA de Lyon – CETHIL Examinateur Lounès Tadrist Polytech’Marseille – IUSTI Examinateur Philippe Haberschill INSA de Lyon – CETHIL Directeur de thèse Stéphane Colasson CEA de Grenoble – DTS/LETh Encadrant Étienne Merlin ADEME, Paris – DPIA Invité Directeur de thèse : Philippe Haberschill (Centre de Thermique de Lyon) Thèse préparée au Laboratoire des Échangeurs Thermiques (LETh) du Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) de Grenoble et cofinancée par l’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Énergie (ADEME). « Tout employé tend à s'élever à son niveau d'incompétence. » —PETER, L.J., HULL, R, The peter principle, 1969 -iii- Remerciements Je tiens à remercier du fond du coeur Philippe Haberschill, mon directeur de thèse, ainsi que Stéphane Colasson, mon encadrant au CEA, pour la confiance qu’ils m’ont accordée. Ils ont su tous deux me donner la liberté dont j’avais besoin pour mener à bien ce travail de thèse ; et cela m’a permis de faire ma propre expérience. J’en tire un riche apprentissage, du point de vue scientifique bien sûr, mais également du point de vue personnel. J’aimerais témoigner ma gratitude pour leur soutien parfois précieux ; et je les remercie chaleureusement pour les nombreuses relectures attentives de ce mémoire et pour leurs conseils avisés. Toute ma reconnaissance va également au professeur Francis Meunier et à Michel Gradeck pour l’intérêt qu’ils ont témoigné envers ce travail en acceptant d’en être les rapporteurs. Par ailleurs, je veux remercier Hein Auracher, Lounès Tadrist, Rémi Revellin et Étienne Merlin pour la crédibilité qu’ils confèrent au jury de cette thèse en apportant leurs compétences reconnues et leurs regards critiques. Au cours de ma thèse, l’expérience de la science ne fut pas qu’une pure lévitation des idées, ce fut également une aventure et un défi technique avec ses moments de doute et de solitude, ses longues traversées du désert, mais également ses moments de satisfaction et de joies immenses. J’aimerais exprimer ma reconnaissance à ceux qui ont fait un bout de chemin à mes côtés. Olivier Soriano, technicien multi instrumentiste, curieux et toujours prêt à relever les défis les plus improbables. Il a su faire s’incarner mes voeux les plus invraisemblables. Sans ses réalisations minutieuses rien n’aurait été possible. Gérard Martin, grand chef d’orchestre et metteur en scène quand il s’agit d’organiser le ballet des tuyauteurs, électriciens, calorifugeurs et autres prestataires autour des installations expérimentales industrielles. Il a toujours su mobiliser, avec une énergie et une efficacité redoutable, les moyens humains et techniques dont j’avais besoin pour ma boucle, parfois dans l’urgence. Fabrice, éternel amoureux du travail bien fait. Je lui dois une fière chandelle pour ses réalisations de tuyauterie et mécano-soudé, qu’ils l’ont fait suer à grosses gouttes. Qu’il m’en pardonne ! Snoopy, fraiseur, tourneur, tuyauteur, soudeur, trouveur de solutions en tout genre, pour toutes personnes, à tout moment. Pour ses dépannages express, je lui dis merci. Toute ma gratitude va également à Florian Tingaud qui m’a prêté main forte lors d’une campagne d’essais contraignante et pas toujours marrante. Dans les moments difficiles, son sourire m’a toujours tiré vers le haut. Chapeau l’artiste ! -v- Ébullition convective du dioxyde de carbone – étude expérimentale en micro-canal 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. Mots-clés : dioxyde de carbone – CO2 – ébullition convective – évaporation – expérimental – micro- canal – pertes de pression – échanges thermiques. Carbon dioxide flow boiling – experimental investigation in a microchannel ABSTRACT—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. Keywords: carbon dioxide – CO2 – flow boiling – vaporisation – experimental – microchannel – pressure drop – heat transfer. -vii- Table des matières Nomenclature xxi Introduction 1 1 Contexte général de l’étude 7 1.1 Histoire des fluides frigorigènes .............................................................................................7 1.2 Place des fluides actifs naturels ..............................................................................................9 1.2.1 Réfrigération domestique ........................................................................................11 1.2.2 Réfrigération commerciale ......................................................................................11 1.2.3 Réfrigération industrielle.........................................................................................12 1.2.4 Climatisation mobile et stationnaire........................................................................12 1.2.5 Pompe à chaleur ......................................................................................................13 1.3 Particularités des systèmes utilisant du dioxyde de carbone.................................................14 1.3.1 Propriétés thermophysiques.....................................................................................14 1.3.2 Efficacité..................................................................................................................15 1.4 Les composants dédiés au CO2.............................................................................................16 1.5 Conclusion ............................................................................................................................19 2 Ébullition convective du dioxyde de carbone 23 2.1 Visualisations et cartes d’écoulement...................................................................................24 2.1.1 Critères de confinement de l’écoulement ................................................................24 2.1.2 Configurations d’écoulement ..................................................................................25 2.1.3 Visualisations en micro-canaux...............................................................................29 2.1.4 Visualisations en macro-canaux..............................................................................36 2.1.5 Conclusion...............................................................................................................39 2.2 Caractéristiques des échanges thermiques............................................................................40 2.2.1 Macro-canaux à hautes températures ......................................................................40 2.2.2 Macro-canaux à basses températures ......................................................................45 2.2.3 Micro-canaux à hautes températures .......................................................................48 2.2.4 Conclusion...............................................................................................................54 2.3 Prédiction du coefficient d’échange thermique ....................................................................55 2.3.1 Macro-canaux à hautes températures ......................................................................55 2.3.2 Macro-canaux à basses températures ......................................................................57 2.3.3 Micro-canaux à hautes températures .......................................................................59 2.3.4 Conclusion...............................................................................................................63 2.4 Prédiction des pertes de pression ..........................................................................................64 2.4.1 Macro-canaux à hautes températures ......................................................................64 2.4.2 Macro-canaux à basses températures ......................................................................65 2.4.3 Micro-canaux à hautes températures .......................................................................66 2.4.4 Conclusion...............................................................................................................67 2.5 Assèchement .........................................................................................................................67 2.6 Transferts de chaleur post-assèchement................................................................................70 2.7 Perspectives ..........................................................................................................................71 3 -ix- Maxime Ducoulombier / Thèse / 2010 Conception et caractérisation de la section d’essai 77 3.1 Quelques aspects techniques des études expérimentales portant sur les mini ou micro- canaux...................................................................................................................................77 3.1.1 Types de boucle.......................................................................................................77 3.1.2 Méthodes de chauffage des mini/micro-canaux ......................................................78 3.1.3 Mesure de la température ........................................................................................81 3.1.4 Isolation thermique..................................................................................................82 3.2 Cahier des charges et choix techniques pour la section d’essai............................................83 3.3 Boucle expérimentale............................................................................................................85 3.4 Section d’essai ......................................................................................................................86 3.5 Evaluation des fuites thermiques ..........................................................................................94 3.5.1 Fuites de chaleur radiatives .....................................................................................94 3.5.2 Fuites de chaleur par conduction.............................................................................98 3.5.3 Bilan énergétique total...........................................................................................101 3.6 Conduction axiale ...............................................................................................................102 3.7 Essais préliminaires en phase liquide .................................................................................110 3.7.1 Pertes de pression monophasiques ........................................................................110 3.7.2 Échanges thermiques monophasiques ...................................................................111 3.8 Conclusion ..........................................................................................................................113 4 Pertes de pression 117 4.1 Dépouillement des mesures ................................................................................................117 4.2 Analyse préliminaire des résultats ......................................................................................118 4.2.1 Contribution des pertes de uploads/Geographie/ these-2-pdf.pdf