Refroidissement par pulvérisation et paramètres hydrodynamiques 

Mouillabilité de la surface à refroidir

L’importance de la microstructure de surface est en partie due aux effets de mouillabilité de surface. Les angles de contact en progression et en recul sont importants tout au long de la courbe d’ébullition. La densité initiale du site de nucléation est déterminée en partie par la capacité du liquide à piéger les noyaux vapeur / gaz dans la microstructure de la surface en ébullition. Les fluides très mouillants tels que le R-113 et le FC-72 peuvent réduire le nombre de sites de nucléation et conduire à de grands circuits de surchauffe en ébullition. Cet effet est régi par l’angle de contact en progression. L’angle d’avancement est à nouveau important lors du remouillage des surfaces sèches, car les bulles se détachent de la surface en ébullition [73]. L’angle de contact en retrait est important pendant la période de croissance des bulles, car la vapeur éloigne le liquide pour créer une zone sèche plus grande. Avec un angle de contact plus petit, un coin de liquide plus fin est créé entre le réchauffeur et l’interface bulle-vapeur, ce qui favorise l’évaporation. L’angle de contact en recul peut également jouer un rôle important dans la détermination de la survenue du CHF, qui peut se produire lorsque la vapeur recouvre la surface en raison du refoulement du liquide. On sait que les oxydes métalliques en particulier améliorent le CHF en augmentant la mouillabilité de la surface [74] [75]. Tachibana et al. [74] Ont testé plus de 400 plaques métalliques dans une piscine à eau saturée bouillant à la pression atmosphérique. Ils ont chauffé les plaques jusqu’à leur destruction physique et ont découvert que l’aluminium avait un CHF beaucoup plus élevé en raison d’un film d’oxyde qui s’est développé peu après le début de l’ébullition et s’est étendu pendant toute l’expérience. En outre, L’acier inoxydable revêtu d’aluminium présentait une amélioration similaire. Ils pensaient que cette hausse du CHF était due à la « bonne affinité » de l’oxyde pour l’eau. Liaw et Dhir [75] ont mesuré le CHF sur une surface verticale de cuivre dans un bassin d’eau saturée à 1 atm. Ils ont systématiquement réduit l’angle de contact statique en chauffant la surface de cuivre à l’air pour créer un oxyde thermique. En faisant varier la température maximale et la durée pendant laquelle la surface a été chauffée, l’angle de contact a été réduit de 90 ° à 14 °. Il a été observé que le CHF augmente d’environ 90% avec la diminution de l’angle de contact. 

Paramètres affectant le refroidissement par pulvérisation

De nombreux paramètres importants contrôlent le transfert de chaleur lors du refroidissement par pulvérisation (Tab. II.2). Tableau II.2 Paramètres importants affectant le refroidissement par pulvérisation [43]. Propriétés du spray Taille et distribution des gouttelettes Flux des gouttelettes Vitesse et distribution des gouttelettes Flux massique & distribution Angle de pulvérisation Propriétés du fluide Conductivité thermique du liquide Tension superficielle du liquide Chaleur spécifique du liquide La chaleur latente de vaporisation Caractéristiques de la surface refroidie Surchauffe Conductivité thermique Finition et état de surface Propriétés de l’environnement Sous-refroidissement Noyaux étrangers La gravité Densité de gaz ambiant Viscosité du gaz ambiant L’un des plus grands défis de l’étude du refroidissement par pulvérisation est l’incapacité de contrôler ses paramètres d’une manière indépendante et précise. Par exemple, le flux massique peut être augmenté en augmentant la pression différentielle dans une buse de pression. Cependant, cette augmentation de pression affecte fortement la rupture des gouttelettes, elle modifie aussi, complètement la taille, le nombre et la vitesse des gouttelettes. 

Positionnement de la buse

Les performances de refroidissement peuvent être influencées par le changement de la position du spray. Il y a deux paramètres de positionnement importants (Fig. II.10) : la distance surfacebuse H (distance entre la pointe de la buse et la surface d’impact) et l’angle d’inclinaison θ (angle entre l’axe de pulvérisation et la normale à la surface) [76]. Fig. II.10 (a) La géométrie 2D se trouve sur le plan central (plan z-x) du cône perpendiculaire à la surface d’impacte (plan x-y). Le positionnement de la buse est déterminé par l’angle d’inclinaison θ et la hauteur de pulvérisation H. Hn est la hauteur de pulvérisation requise par impact normal pour couvrir une longueur d’impact L donnée. b) Zone d’impact à longueur d’impact constante L formée par le jet incliné selon différents angles θ [76]. Géométriquement, l’impact de pulvérisation sur une surface est un cône de pulvérisation isolé par la surface d’impact. En mode de pulvérisation normal, le changement de distance entre la surface et la buse provoque le changement de la zone couverte par pulvérisation (voir longueur d’impact L sur la figure II.10a), le flux volumétrique local et le flux de film ainsi que le refroidissement local correspondant. Dans une surface d’environ 1 cm2 , Mudawar et Estes [64] ont constaté que le maximum de CHF est atteint à l’aide d’une distance optimale entre la surface et la buse et aussi lorsque l’empreinte de pulvérisation est exactement enfermée dans la surface de refroidissement. IV.1.1 Influence de l’angle d’inclinaison Certains chercheurs se sont intéressés aux effets de l’inclinaison de la pulvérisation sur les performances de transfert de chaleur. La zone d’impact est circulaire pour un impact normal θ=0° et elliptique pour un impact de pulvérisation incliné 0°<θ< (90°- α). L’angle d’inclinaison Ligne médiane Surface d’impacte Longueur d’impact Zone d’impact : A Coupe transversale A0 Coupe transversale An Chapitre II Refroidissement par pulvérisation et paramètres hydrodynamiques Page | 80 est limité à 90°- α. Sinon, aucune pulvérisation ne tombe sur le substrat refroidi. Dans les tests expérimentaux, la zone d’impact, la surface et la zone de chauffage sont généralement concentriques et le centre est situé à (x, y) = (0, 0) (voir Figure II.10b). En outre, la longueur d’impact L reste la même pour étudier l’influence de l’inclinaison sur le refroidissement. Silk et al. [77] Ont comparé les performances de refroidissement d’un impact à trois inclinaisons à un impact normal sur une surface améliorée. Il a été constaté à la fois sur la surface plane et sur la surface améliorée que le flux de chaleur augmente avec l’augmentation de l’angle de pulvérisation jusqu’à θ = 15 °. Cependant, lorsque θ> 15 °, la performance du flux thermique change peu avec l’incertitude expérimentale. L’amélioration du refroidissement par pulvérisation inclinée est attribuée à un meilleur drainage du liquide grâce à l’élimination de la zone de stagnation qui apparaît au centre lors d’un impact de pulvérisation normal. Wang et al. [78] Ont trouvé que l’inclinaison de la buse de pulvérisation pourrait améliorer le transfert de chaleur si une distance optimale de la surface de l’orifice était trouvée. Cependant, Visaria et Mudawar [79] ont indiqué que l’angle d’inclinaison avait un impact minimal sur les régions monophasées ou biphasées de la courbe d’ébullition. L’augmentation de l’angle d’inclinaison diminue même le CHF et le maximum est toujours atteint avec le spray normal sur la surface refroidie. Rybicki et Mudawar [80] ont utilisé des buses de pulvérisation orientées vers le haut et vers le bas pour évaluer leurs effets sur les performances de refroidissement. Les résultats expérimentaux ont montré que l’orientation de la pulvérisation n’avait aucun effet mesurable sur les performances de refroidissement global dans les régimes monophasés et biphasés. Cheng et al. [81] Ont constaté que l’angle d’inclinaison aggraverait le transfert de chaleur lorsque l’empreinte de pulvérisation est plus petite que la surface chauffée. Par conséquent, les conclusions de ces études sur l’inclinaison de la pulvérisation sont contradictoires.