Amélioration du flux de chaleur critique dans un tube vertical chauffé uniformément par insertion d'un déflecteur

Des tests de flux de chaleur critique (FCC) ont été réalisés sur un tube vertical chauffé uniformément à des pressions de 10 et 30 bar, des sous-refroidissement de 2, 15 et 30 C et pour des flux massiques de 1000, 1250, 1500 et 2000 kg.m-2.s-1. Deux de déflecteurs différents - un de forme conique et un a turbine - ont été introduits à tour de rôle et à diverses positions à l'intérieur du tube dans le but d'augmenter les valeurs de flux de chaleur critique. Le but recherché était d'essayer de rediriger une partie des gouttelettes en suspension dans la vapeur vers le film de liquide et de retarder ainsi l'assèchement de la paroi chauffée. Les résultats se sont révéelés satisfaisants pour le reflecteur à turbine avec lequel une augmentation du flux de chaleur critique a été remarquée pour la totalité des situations étudiées. Cette augmentation va de 10 a 40% en fonction de l'emplacement du de déflecteur par rapport à la zone chauffée et des paramètres thermohydrauliques. Dans certains cas, le flux de chaleur critique ne se produit pas à la fin de la zone chauee comme habituellement mais en amont du deflecteur, démontrant par la même que le depôt des gouttelettes sur le film de liquide est efficace. Néanmoins, les résultats concernant le deflecteur de forme conique ont été décevants : la plupart des points présentent une diminution des valeurs de flux de chaleur critique. Par rapport à la série de référence, les écarts relatifs vont de -20% a +10% environ. Cela est probablement dû à la taille inadaptée du déflecteur conique, trop gros par rapport aux dimensions du tube. En effet, l'accélération de la vapeur au niveau du déflecteur est trop rapide, produisant une altération du film de liquide pouvant entraîner un arrachement supplémentaire de gouttelettes ou une altération du film accélérant l'assèchement de celui-ci. De plus, de façon inattendue, lors de la série d'expériences de référence sans deflecteur, on a remarqué que, pour une même longueur chauffée, la présence d'une zone adiabatique en aval de la partie du tube chauffée pouvait avoir une influence positive non négligeable sur les valeurs du flux de chaleur critique. Plusieurs hypothèses ont été émises concernant les mécanismes physiques en jeu. La plus plausible est que dans cette zone adiabatique, peu avant le FCC, une partie des gouttelettes en suspension dans le coeur de vapeur percute le film. Le film en aval de la zone chauffée est donc plus épais et peut avoir une influence sur le film de la zone chauffée. Cependant, aucune preuve directe n'a pu être apportée et des experimentations complémentaires sont nécessaires pour valider ou infirmer cette hypothèse.

Abstract

Critical heat flux (CHF) tests have been carried out on a vertical and uniformly heated tube at pressure of 10 and 30 bar, at inlet subcooling of 2, 15 and 30C and for mass flux of 1000, 1250, 1500 and 2000 kg.m-2.s-1. A deflector was introduced inside the tube to redirect droplets contained in the vapor core onto the liquid film. Its mass low rate would indeed be increased which would enhance critical heat flux values. Two different deflectors have been tested: a cone-shaped and a tubine type. Satisfying results were found for the turbine type defector: for every configuration, we observed an enhancement of 10 to 40% of the CHF values. This enhancement depended grately on the position of the deflector with regard to the heated zone and on the flow parameters. In some cases, CHF was not even observed at the end of the heated length as usual, but upsteam from the deflector, proving that the deposition of droplets is very efficient. However, results were disappointing with the cone-shaped deflector; most of the points showed a decrease of the CHF values up to 20% compared with the reference experiments. The defector was indeed too big in relation to the tube inside diameter and the vapor acceleration due to the deflector could possibly destroy the liquid film. Moreover, while performing the tests without deflector, we unexpectedly realised that for a given heated length and given flow parameters, the presence of an adiabatic zone downstream from the heated zone could increase the values of CHF. Several explanations were given, the most plausible one being that some of the droplets from the vapor core could be projected onto the liquid film in this adiabatic zone, which in term could affect CHF.