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
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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
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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
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6
Low mass fluxes
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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
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Stationary wave
liquidvapour Tsat
Text hext
z
R
R0
One dimensional steady state modelling
adimensionnement
8
Low mass fluxes
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Energy balance
Momentum balance
Laplace equation
Heat transfer coeff.
Mathematical formulation
9
Low mass fluxes
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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 = 2.1 kg/(m²s)
Débit massique = 3.3 kg/(m²s)Débit massique = 4.1 kg/(m²s)
Débit massique = 4.7 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
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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
Preliminary analysis of the mechanisms 2/3
confinement and/or phase change effects
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Highest mass fluxes
13
Preliminary analysis of the mechanisms 3/3
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
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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
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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
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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.
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Boucle miniaturisée: résultats numériques
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18
Application: capillary pumped loop
Experimental setup under progress
1 cm
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