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Université de Mohamed Khider Faculté des Sciences et de la technologie départem

Université de Mohamed Khider Faculté des Sciences et de la technologie département de chimie Industrielle Calcul des équipements de transfert de chaleur lors changement de phase Réalisé par : Dr. MERZOUGUI Abdelkrim merzouguikarim@yahoo.com a.merzougui@univ-biskra.dz 2013-2014 1er Année Master génie chimique. • U E : Transfert thermique II • Qualité : Fondamentale • Matière : Équipements de transfert de chaleur • Code : MGC221 • V H : 90H • Crédit matière : 9 Objectifs de l’enseignement de la matière Étude des échangeurs de chaleurs avec changement de phases présent dans l’industrie chimique. Connaissances préalables recommandées Transfert de quantité de mouvement Transfert de matière Transfert de chaleur Mathématiques appliquées Sommaire Chapitre1: Généralités sur les modes de transfert thermique & résolution de l’équation de chaleur. Chapitre 2 : Transferts de chaleur lors de changement de phase Partie I: transfert de la chaleur lors de l’ébullition; Partie II: la condensation d’une vapeur ; Partie III: l’évaporation d’un liquide au contacte d’un gaz. Chapitre 2: transferts de chaleur lors de changement de phase Chapitre II : transfert de chaleur lors de changement de phase (état) Ce chapitre comporte trois parties consacrées à l’étude des transfert de chaleur ayant lieu pendant : l’ébullition (ou vaporisation) d’un liquide ; la condensation d’une vapeur ; l’évaporation d’un liquide au contacte d’un gaz. Dans les premiers cas il s’agit d’un phénomène mettant essentiellement en jeu d’un liquide et sa vapeur, tandis que dans le dernier on est présence d’un mécanisme de diffusion d’un vapeur dans un gaz, à partir d’une surface liquide. Connaissances préalables recommandées • Pression de vapeur saturante, température de saturation, rapport de mélange humidité absolue et relative, chaleur latente de vaporisation, tension superficielle. Partie 1 : transfert de la chaleur lors de l’ébullition Historique • Pendant longtemps l’ébullition d’un corps pur n’a été remarquée que pour deux de ses aspects : – le passage de l’état liquide à l’état vapeur (production de vapeur dans les machines thermiques, par exemple) ; – la fixité de la température à laquelle se produisait ce phénomène (points de repère de l’échelle thermométrique). • Il a fallu attendre 1925/1930 pour que l’on s’intéresse au transfert de chaleur lors de l’ébullition. La complexité de l’étude de cette phénomène est compagnon aux nombreux paramètres (pression, chaleur latente de vaporisation, nature du fluide, et de la surface de chauffe, etc.) associés au changement de phase. • Parmi les chercheurs qui sont à l’origine de cette étude, citons les allemands JAKOB,FRITZ, ENDE, le japonais NUKIYAMA, les américains FARBER, SCORAH, MAC ADAMS. Définition de phénomène d’ébullition • L’ébullition est un phénomène de transfert de chaleur convectif qui se produit leur de la vaporisation d’un liquide en contacte directe avec une surface solide. L’ébullition peut avoir lieu sous deux formes : l’ébullition libre (cuves) et ébullition en écoulement forcé (tube). Dans les deux cas, la formation de la vapeur se produit par évaporation (lorsque la température du liquide dépasse légèrement la température de saturation Ts, Formation de la vapeur : Nucléation homogène • Lorsqu’il y a rupture de l’état métastable et retour à un équilibre stable, des germes ou noyaux de vapeur apparaissent au sein de la phase liquide : c’est le phénomène de nucléation. L’apparition d’un germe, qui induit la création d’une interface entre les phases liquide et vapeur, est sous la dépendance des propriétés interfaciales. • Pour un corps pur, la nucléation au sein du liquide, dite nucléation homogène, met en jeu le phénomène de diffusion des atomes ou molécules qui s’agrègent pour former la nouvelle phase. Système avant et après la formation d’une bulle de gaz dans une phase liquide. Nucléation hétérogène • La nucléation hétérogène a lieu à la surface d'un solide. Des études ont été menées en supposant que la nucléation se produit dans des défauts à géométrie conique à la surface d'un solide. Représentation d’une bulle dans un défaut conique lorsque le liquide mouille partiellement le solide. Travail de nucléation dans un défaut conique est un paramètre qui dépend de la géométrie du défaut et de l’angle de contact du liquide avec le solide. En ce sens, on l’appellera aussi coefficient géométrique pour la nucléation dans un défaut conique. Configuration d'écoulement et régimes d'ébullitions : Dans cette partie, une présentation des différentes configurations d'écoulement qui apparaissent lors de l'ébullition en convection forcée à l'intérieur d'un tube chauffée. Mais avant de passer à l'ébullition en convection forcée, il est bon de rappeler les différents régimes d'ébullitions observés lors de l'ébullition en convection libre ou en vase clos (cuve). Transferts de chaleur au cours de l’ébullition en convection libre Description phénoménologique de l’ébullition libre Les premiers travaux expérimentaux relatifs à l’ébullition libre sont dus à Nukiyama [1]. Pour cette expérience, un fil de platine chauffé électriquement est immergé dans un bain d’eau distillée maintenue à 100°C. La densité de flux est obtenue par mesures du courant et de la tension aux bornes du fil et la température moyenne de la paroi est déduite de la variation de la résistance du fil avec la température (voir la figure 1). [1] NUKIYAMA (S.). – The maximum and minimum values of the heat transmitted from metal to boiling water under atmospheric pressure. J. Soc. Mech Engng Japan 37,367-374 (1934). Figure.1 : Montage expérimentale de Nukiyama • La courbe représentant la densité de flux en fonction de la surchauffe de la paroi (ΔTsat = Tp – Tsat) en régime stationnaire est dite courbe d’ébullition. Pour l’expérience de Nukiyama, cette courbe est obtenue en imposant une succession de flux croissants ou de flux décroissants. L’allure de la courbe d’ébullition est représentée sur la figure 2. A-B: Convection libre B:Début de l’ébullition C-E:Ébullition nucléée E: point critique E-F: Ébullition de transition F-G:Ébullition en film Cycle de bulles Aux très faibles densités de flux (zone AB), la température de la paroi est insuffisante pour initier la nucléation. En raison des gradients de température dans le liquide, la chaleur est transférée par convection naturelle jusqu’à la surface du bain. L’échange entre la paroi chauffante et l’eau se fait par convection naturelle et obéit à une loi de la forme: ) ( ) (      T T h T T h p sat p    25 . 0 .           T T C h p C : est un constante dépendant de la géométrie du système et de la nature du liquide (pour l’eau : ℓ : est une dimension caractéristique de la paroi chauffante (diamètre dans le cas d’un tube, hauteur dans le cas d’une plaque verticale Au point B, la surchauffe de la paroi est importante. Des bulles apparaissent localement sur la paroi. Ce phénomène est rapide et l’émission de bulles crée des mouvements convectifs intenses, qui améliorent notablement les échanges thermiques. Il s’ensuit une diminution notable de la température de la paroi jusqu’au point C. • Ce régime d’apparition des premières bulles débute en C. Aux faibles flux, les bulles après leur détachement implosent en se condensant lors de leur ascension dans le liquide saturé. Lorsque le flux augmente, la quantité de vapeur formée croît et on assiste à une coalescence des bulles, soit latéralement sous forme d’amas de vapeur (direction parallèle à la paroi), soit verticalement sous forme de colonnes (normale à la paroi). PHOTOS les bulles montent en colonne à partir de points isolés de la paroi(les “sites”) avec une fréquence de l’ordre de 100 par seconde, à la pression atmosphérique. Le nombre N de sites par mètre carré est donné par la formule empirique suivante: P N 2 2 10 2 . 1    Les anglo-saxons désignent les sites sous le nom de noyaux(nucleus), d’où le nom d’ébullition nucléée( nucleate boiling) donné à cette zone. La relation entre la densité de flux de chaleur et ∆Tsat est de la forme: n sat T ) (   Avec ß=f(nature du liquide,pression,géométrie, nature et état de surface de l’élément chauffant), 3<n<4, pour l’eau à la pression atmosphérique. P en Bars Croissance et détachement des bulles Pour l’eau à la pression atmosphérique, les bulles ont un diamètre de détachement de l’ordre de 1 à 2,5 mm et leur fréquence est de 20 à 40s–1 Coalescence des bulles, forme d’amas (pour l’eau) et forme de colonnes (pour l’acétone). • Au point E, la vapeur formée en grande quantité empêche le liquide de remouiller la paroi et d’assurer son refroidissement. À flux imposé, la température de la paroi augmente brusquement du point E au point E’ (de plusieurs centaines de degrés Celsius). Si la température de la paroi du fil au point E’ est supérieure à sa température de fusion, il est détruit. Le point E est appelé point critique ; il lui correspond un flux critique, qui est le flux thermique maximal transmis en ébullition nucléée et sans risquer un endommagement de la paroi. On l’appelle communément aussi crise d’ébullition (burnout, departure from nucleate boiling, critical heat flux). • Le cas d’une température de paroi imposée est moins fréquent dans les uploads/Industriel/ transfert-de-chaleur-lors-de-changement-de-phase-ebullition.pdf