Journée SFT Condensation 23 mars 2006 Instabilités et transition de régime en condensation...

Journée SFT Condensation 23 mars 2006

Instabilités et transition de régime en condensation convective en minitube

Laboratoire d’EnergétiqueUniversité Paul Sabatier

118 route de Narbonne31062 Toulouse Cedex

FRANCE

Ulrich SoupremanienPascal LavieilleMarc Miscevic

1

Polytech’ MarseilleI.U.S.T.I.

Tehnopôle de château Gombert5, rue Enrico Fermi

13453 Marseille Cedex 13

Lounès TadristBéatrice Médéric

Thermostated bath

Circuit for the syringe filling

Syringe pump

Liebigtube

Outlet tank

Evaporator

Cold water loop

Thermostated bath

Hot water loop

Differential pressure sensor

mini-tubeswitches

2

Material and methods

Round cross section tube: D=560 µm


3

Flow visualisation

Annular regime

Gc=6.88 kg/m² s

G < 6.88 kg/m² s G > 6.88 kg/m² s

Annular zone followed by a bubbly zone

Vapor

Tube wall

Vapor

Identification of the flow regimes

Flow direction

Tw=10 °C

Liquid


4

Phase distribution invariance property

Without bubbles

With

bubbles

contraste amélioré

50 100 150 200 250

100

200

300

400

500

600

700

Mean temporal void fraction profiles

Homothetic nature of the condensation flowsJournée SFT Condensation 23 mars 2006

5

Heat and mass transfer laws

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

0 5 10 15G (kg/m² s)

D Ptp

/Ltp

(Pa/

m)

contraste amélioré

50 100 150 200 250

100

200

300

400

500

600

700

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 5 10 15 20

G (kg/m² s)

H (

W/m

² K

)

H

H calculated without exchanges in thebubbly zonecontraste amélioré

50 100 150 200 250

100

200

300

400

500

600

700

Discontinuity due to the flow regime transition

Low heat transfers in the bubbly zone


6

Low mass fluxes


Acquisition rate: 4000 fps

Experimental observations

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 5 10 15 20 25 30QuickTime™ et un

décompresseur Cinepaksont requis pour visionner cette image.

7

Low mass fluxes


Stationary wave

liquidvapour Tsat

Text hext

z

R

R0

One dimensional steady state modelling

adimensionnement

8

Low mass fluxes


Energy balance

Momentum balance

Laplace equation

Heat transfer coeff.

Mathematical formulation

9

Low mass fluxes


Preliminary numerical results

-2.2 -2 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2

x 10-3

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

x 10-4 Evolution du menisque

Débit massique = 1.5 kg/(m²s)


Débit massique = 3.3 kg/(m²s)Débit massique = 4.1 kg/(m²s)


11

Highest mass fluxes

Preliminary analysis of the mechanisms 1/3

R k 2v l Uv Ul 2 k

rv rl R2 1 kR 2

1/ 2

Dispersion equation:(without phase change)

rv v

I0

I1

rl l

K0

K1

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

0 10000 20000 30000k (m-1)=2¹/

(

s-

Ug=0 m/sUg=5 m/sUg=10 m/s

v rv

rv rl

l rl

rv rl

Influence of both inertial and surface tension effects


0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1non dimensional axial position

wav

e le

ngth

(m

m)

Tsec=15C (expˇ)

Tsec=20C (expˇ)

Tsec=25C (expˇ)

Tsec=30C (expˇ)

12


confinement and/or phase change effects


Highest mass fluxes

13


0et

linear analysis

Models of confinement and condensation effects under progressJournée SFT Condensation 23 mars 2006

Highest mass fluxes

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

t (s)

ln (

g)

g = g0 et

14Journée SFT Condensation 23 mars 2006

Conclusions - perspectives

Phase distribution experimentally determined - homothetic behavior

Poor heat transfers in the bubbly zone

Regime transition linked to the waves amplification

Preliminary results given by steady state modelling for transition regime prediction

Experimental analyses of non stationary waves to be continued (linear stability not appropriated)

Transient modelling under progress

Géométrie choisie :

Premières observations :

• effets conductifs au sein du substrat perturbent le fonctionnement

• chauffage perpendiculaire à la zone capillaire : risque de désamorçage

et e

Zone de chauffe

Zone capillaire

Ligne liquide

Ligne vapeur

Condenseur

ett e

Zone de chauffe

Zone capillaire

Ligne liquide

Ligne vapeur

Condenseur

Représentation schématique de la géométrie de la micro-boucle modélisée.

14

Boucle miniaturisée: modélisation


Hypothèses :

Zone de chauffe Ligne liquide

Ligne vapeur

Condenseur

Zone capillaire

Zone de chauffe Ligne liquide

Ligne vapeur

Condenseur

Zone capillaire

Axe de symétrie

Représentation schématique de la position des différents nœuds solides et fluides

Conduction dans la paroi + transport du flux dans le fluide simulés à partir d’une approche nodale.

15

Boucle miniaturisée: modélisation


Profils de température dans le fluide et dans la paroi

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.0920

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120température de la paroi (bleu), température du fluide (rouge) croix rouge = liquide, verte=vapeur

X en m

T

en °C

Ligne vapeur Ligne liquideCondenseurZone capillaire + zone de chauffe

paroi

fluide

zone de condensation

flux de chaleur appliqué

16

Boucle miniaturisée: résultats numériques


t

e

Zone capillaire + zone de chauffe

Ailettes

Ligne liquide

Ligne vapeur

Flux convectif

Temperature °C

Paroi solide

35404550556065

Champ de température de la surface d’échange avec la source froide.

17

Boucle miniaturisée: résultats numériques


18

Application: capillary pumped loop

Experimental setup under progress

1 cm


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