Assessment of stratification during horizontal two-phase flow of R-245fa: intermittent and annular flows

Une méthode optique a été développée pour les mini-canaux cylindriques afin de quantifier les effets de stratification lors de l'ébullition convective du R-245fa en écoulement annulaire. Pour différentes conditions de température et de vitesse massique, l'écoulement dans le canal de 2.95 mm de diamètre intérieur est visualisé avec une caméra rapide durant une période totale de 2.7 secondes. La série d'images est traitée avec un algorithme permettant d'obtenir les interfaces liquide-vapeur en écoulement annulaire. Cette méthode est ensuite adaptée pour caractériser des écoulements intermittents. Les tests sont ainsi réalisés pour une grande gamme de titres en vapeur, de températures et de vitesses massiques. Les températures de saturation examinées sont 60, 70et 80°C et les vitesses massiques 100, 200et 300kg.m-2.s-1. L'influence de ces paramètres ainsi que du titre en vapeur sont discutés par l'emploi des nombres de Froude et de Bond. Ainsi, il apparaît, que l'excentricité diminue avec le titre en vapeur et la vitesse massique et augmente avec la température de saturation

Contribution to phenomenological study of flow boiling in mini-channel

Les écoulements diphasiques liquide-gaz et liquide-vapeur sont présents dans de nombreuses problématiques industrielles. De fait, ils sont rencontrés dans des configurations diverses, tant en termes de dimensions que d’orientation et présentent des caractéristiques variées. Pour autant, il peut être distingué dans la littérature deux cas limites de modélisation de l’écoulement diphasique liées à son confinement : l’échelle micro et l’échelle macro. Cependant, la caractérisation de la transition entre ces deux échelles reste un enjeu majeur de compréhension de l’écoulement diphasique. De plus, les comportements thermiques en ébullition convective sont impactés par le phénomène de nucléation, fortement influencé par la géométrie de l’application et les conditions de saturations. De ce fait, l’objectif principal de la thèse est de contribuer à la compréhension des écoulements diphasiques adiabatiques et non adiabatiques à une échelle intermédiaire entre les échelles micro et macro, où les comportements tant dynamiques que thermiques sont mal définis. Pour ce faire, dans le travail présent, les effets du confinement et de l’inclinaison de l’écoulement diphasique sur les régimes d’écoulement, les chutes de pression et les échanges thermiques sont étudiés et comparés avec les observations et modèles de la littérature. Une section test inclinable de 1,6 mm de diamètre intérieur a été installée sur le banc d’essais de Charnay (2014), permettant l’étude de l’ébullition convective du R-245fa. Celle-ci permet de visualiser l’écoulement à l’intérieur de l’évaporateur ainsi que d’acquérir simultanément les chutes de pression et le champ de température de paroi extérieure. Pour ce faire, un tube en saphir chauffé par un dépôt d’ITO a été employé. Le champ de température a été obtenu par une procédure d’acquisition et de post-traitement infrarouge. Au préalable, une campagne d’essais a été menée en conditions adiabatiques sur la section de Charnay (2014). La section test présente, quant à elle, a permis deux campagnes d’essais en conditions adiabatiques et en ébullition convective. Des études menées en conditions adiabatiques est apparu un fort effet de l’inclinaison et du confinement sur les régimes d’écoulement ainsi que sur les chutes de pression. L’effet de l’inclinaison s’apparente à ce qui a pu être observé en macro-canal dans la littérature. De plus, l’inclinaison n’affecte que peu les échanges thermiques au regard des incertitudes inhérentes au dispositif infrarouge. Enfin, il est observé un effet de l’inclinaison sur le régime d’assèchement. Dans cette configuration, l’évolution temporelle du champ de température de paroi extérieure apparaît synchrone avec l’évolution dynamique de l’écoulement diphasique.Liquid-gas and liquid-vapour two-phase flows are encountered in a large range of industrial applications. They are observed in multiple configurations, in terms of dimension and orientation and then have various characteristics. In the literature, it can be distinguished two limit cases of the two-phase flow linked to its confinement: micro and macro-scale. Nonetheless, characterisation of the micro-to-macro scale transition is still a main issue for the comprehension of two-phase flow. In addition, thermal behaviours of flow boiling are affected by the nucleation phenomenon, which is strongly influenced by the geometry of the application and the saturation conditions. The main objective of the thesis is to contribute to the comprehension of adiabatic and diabatic two-phase flows in mini-scale, where the general behaviours are not well definite. In the present study, the effects of confinement and orientation of two-phase flows on flow patterns, pressure drops and heat exchanges are studied and compared with observations and models of the literature. An 1.6 mm inner diameter inclinable test section was installed on the test bench of Charnay (2014), which enabled to study R-245fa flow boiling. This test section enables to visualize the flow directly in the evaporator and the simultaneous acquisition of the pressure drops and the outside wall temperature field. A sapphire tube, heated by a transparent ITO coating, is unemployed to insure the transparency. The temperature field is obtained by an IR image processing. Previously, tests were led on the section of Charnay (2014) in adiabatic conditions. The present test section was used for two series of tests, led in both adiabatic and diabatic conditions. It appeared a strong effect of confinement and orientation on the flow patterns and pressure drops. The effect of the orientation is likely the same that one observed in macro-scale. In addition, the orientation slightly affects heat exchanges in comparison with the uncertainties of the IR dispositive. Finally, it is observed an effect of orientation on dryout flow pattern. In this configuration, the temperature field evolution with time is synchronized with the dynamic evolution of the two-phase flow

Contribution à l'étude phénoménologique de l'ébullition convective en mini-canal

Liquid-gas and liquid-vapour two-phase flows are encountered in a large range of industrial applications. They are observed in multiple configurations, in terms of dimension and orientation and then have various characteristics. In the literature, it can be distinguished two limit cases of the two-phase flow linked to its confinement: micro and macro-scale. Nonetheless, characterisation of the micro-to-macro scale transition is still a main issue for the comprehension of two-phase flow. In addition, thermal behaviours of flow boiling are affected by the nucleation phenomenon, which is strongly influenced by the geometry of the application and the saturation conditions. The main objective of the thesis is to contribute to the comprehension of adiabatic and diabatic two-phase flows in mini-scale, where the general behaviours are not well definite. In the present study, the effects of confinement and orientation of two-phase flows on flow patterns, pressure drops and heat exchanges are studied and compared with observations and models of the literature. An 1.6 mm inner diameter inclinable test section was installed on the test bench of Charnay (2014), which enabled to study R-245fa flow boiling. This test section enables to visualize the flow directly in the evaporator and the simultaneous acquisition of the pressure drops and the outside wall temperature field. A sapphire tube, heated by a transparent ITO coating, is unemployed to insure the transparency. The temperature field is obtained by an IR image processing. Previously, tests were led on the section of Charnay (2014) in adiabatic conditions. The present test section was used for two series of tests, led in both adiabatic and diabatic conditions. It appeared a strong effect of confinement and orientation on the flow patterns and pressure drops. The effect of the orientation is likely the same that one observed in macro-scale. In addition, the orientation slightly affects heat exchanges in comparison with the uncertainties of the IR dispositive. Finally, it is observed an effect of orientation on dryout flow pattern. In this configuration, the temperature field evolution with time is synchronized with the dynamic evolution of the two-phase flow.Les écoulements diphasiques liquide-gaz et liquide-vapeur sont présents dans de nombreuses problématiques industrielles. De fait, ils sont rencontrés dans des configurations diverses, tant en termes de dimensions que d’orientation et présentent des caractéristiques variées. Pour autant, il peut être distingué dans la littérature deux cas limites de modélisation de l’écoulement diphasique liées à son confinement : l’échelle micro et l’échelle macro. Cependant, la caractérisation de la transition entre ces deux échelles reste un enjeu majeur de compréhension de l’écoulement diphasique. De plus, les comportements thermiques en ébullition convective sont impactés par le phénomène de nucléation, fortement influencé par la géométrie de l’application et les conditions de saturations. De ce fait, l’objectif principal de la thèse est de contribuer à la compréhension des écoulements diphasiques adiabatiques et non adiabatiques à une échelle intermédiaire entre les échelles micro et macro, où les comportements tant dynamiques que thermiques sont mal définis. Pour ce faire, dans le travail présent, les effets du confinement et de l’inclinaison de l’écoulement diphasique sur les régimes d’écoulement, les chutes de pression et les échanges thermiques sont étudiés et comparés avec les observations et modèles de la littérature. Une section test inclinable de 1,6 mm de diamètre intérieur a été installée sur le banc d’essais de Charnay (2014), permettant l’étude de l’ébullition convective du R-245fa. Celle-ci permet de visualiser l’écoulement à l’intérieur de l’évaporateur ainsi que d’acquérir simultanément les chutes de pression et le champ de température de paroi extérieure. Pour ce faire, un tube en saphir chauffé par un dépôt d’ITO a été employé. Le champ de température a été obtenu par une procédure d’acquisition et de post-traitement infrarouge. Au préalable, une campagne d’essais a été menée en conditions adiabatiques sur la section de Charnay (2014). La section test présente, quant à elle, a permis deux campagnes d’essais en conditions adiabatiques et en ébullition convective. Des études menées en conditions adiabatiques est apparu un fort effet de l’inclinaison et du confinement sur les régimes d’écoulement ainsi que sur les chutes de pression. L’effet de l’inclinaison s’apparente à ce qui a pu être observé en macro-canal dans la littérature. De plus, l’inclinaison n’affecte que peu les échanges thermiques au regard des incertitudes inhérentes au dispositif infrarouge. Enfin, il est observé un effet de l’inclinaison sur le régime d’assèchement. Dans cette configuration, l’évolution temporelle du champ de température de paroi extérieure apparaît synchrone avec l’évolution dynamique de l’écoulement diphasique

Effect of inclination on heat transfer coefficient during flow boiling in a mini-channel

International audienceAn experimental study of heat transfer during R245fa flow boiling is carried out in a 1.6 mm inner diameter circular channel (198 original data points). The test section is composed of a sapphire tube coated with ITO, which enables a total transparency of the evaporator in the visible spectrum. The acquisition of the outer wall temperature field is ensured by means of an infrared camera and the heat transfer coefficient is calculated by means of a local thermal model. The effect of the inclination on the heat transfer is presented and discussed for various vapour qualities and mass velocities and a saturation temperature of 81°C, corresponding to a Bond number of 4.1. For each experimental condition, the mean heat transfer coefficient is calculated for various inclinations from the vertical downward flow (-90°) to the vertical upward flow (+90°). The variation of the heat transfer coefficient are first presented and analyzed in the horizontal case. The heat transfer coefficient variations with the flow parameters are interpreted in terms of nucleate and convective boiling and these observations are confirmed by the visualisation of the nucleation phenomenon in the evaporator. The inclination has almost no effect on the heat transfer and this lack of effect is finally interpreted in terms of shift between the annular to intermittent flow pattern transition coupled with the nucleate to convective boiling transition

Assessment of stratification during horizontal two-phase flow of R-245fa: intermittent and annular flows

National audienc

Experimental study of flow boiling in an inclined mini-channel: Effect of inclination on flow pattern transitions and pressure drops

International audienceAn experimental study of R245fa two-phase flow in a 1.6 mm inner diameter circular channel is presented in both adiabatic and diabatic conditions. The test section is composed of a sapphire tube coated with ITO, which enables a total transparency of the evaporator. The effect of inclination on the flow patterns and the pressure drops is presented and discussed for various vapour qualities and mass velocities and a saturation temperature of 81°C, corresponding to a Bond number of 4.2. For each experimental conditions, the pressure drops are measured and the flow is visualised under eleven configurations of inclination from the vertical downward flow (-90°) to the vertical upward flow (+90°). The flow pattern transitions are compared with two flow pattern maps available in the literature. The effect of the heat flux on the flow patterns is analysed and shows the disappearance of the stratified flow for the downward flows in the case of low-inertia flows. A study of the effect of the inclination on the total and frictional pressure gradients is also led. The observations are compared with several models of the literature. These models show a good agreement to predict the pressure gradient for upward flows. Finally, the effect of the heat flux on the pressure drop variations with inclination is analysed. It shows a general increase of the pressure drops due to gravity and frictional forces with the heat flux for low vapour qualities, whatever the considered inclination. This offset decreases with the vapour quality

Prediction of asymmetry during intermittent and annular flows of R-245fa in an horizontal mini-channel

International audienc

Experimental study of flow boiling in an inclined mini-channel

International audienc

Stratification assessment during evaporative annular flow of R-245fa in a horizontal minichannel

International audienc

Asymmetry during an horizontal annular flow in a micro-channel: optical measurements and effect of dimensionless numbers

National audienc