Écoulements diphasiques aux petites échelles – Application au refroidissement d’une pile à combustible (PEMFC)
Soutenance prévue le mercredi 21 juillet 2010 à 10h00
à l’ENSE3, site Berges, 1025 rue de la piscine, Domaine universitaire, 38400 Saint Martin d’Hères ( Amphithéâtre CRAYA )
Composition du jury proposé
Catherine COLIN INP-Toulouse, IMFT Rapporteur
Benoît STUTZ Université de Savoie, LOCIE Rapporteur
Jean-Pierre FRANC CNRS, LEGI Examinateur
Olivier VERDU HELION - AREVA Examinateur
Michel FAVRE-MARINET G-INP, LEGI Invité
Yann BULTEL G-INP, LEPMI Directeur de thèse
Stephane LE PERSON Université Joseph Fourier, LEGI Co-directeur de thèse
Mots-clés : ébullition, mini-canaux, rapport d’aspect, ONB, CHF, perte de pression, coefficient d’échange de chaleur, configuration d’écoulement, forane
Cette thèse est consacrée à l’étude des écoulements internes en ébullition dans des canaux de petites dimensions. L’application visée est le refroidissement des piles à combustible de type PEMFC. Le confinement de plus en plus marqué des PEMFC et l’accroissement des densités de flux de chaleur produites au coeur de pile nécessitent une étude approfondie des transferts de chaleur dans les mini-canaux. Pour cette étude, le fluide utilisé a été le forane 365 HX, qui présente des propriétés intéressantes pour l’objectif visé. Comparativement aux écoulements monophasiques, une quantité élevée d’énergie peut être extraite des parois en limitant le gradient thermique pariétal en condition d’ébullition, lorsque le fluide se trouve à saturation. De manière à effectuer un dimensionnement adéquat d’un échangeur thermique, nous avons étudié l’influence de la dimension de la section droite de la mini-conduite sur les performances de l’appareil. Nous avons ainsi étudié quatre mini-canaux de section rectangulaire et de diamètre hydraulique compris entre 0,727 mm et 1,45 mm . Nous avons centré notre étude sur l’influence du rapport d’aspect en définissant deux mini-canaux de même diamètre hydraulique et de rapports d’aspect différents. Nous avons constaté que les valeurs de flux thermiques conduisant à l’apparition de l’ébullition (ONB) ou à l’assèchement du liquide en paroi (CHF) dépendent de la géométrie du mini-canal. Les évolutions des pertes de pression en régime diphasique sont aussi influencées par ces données géométriques tandis que les coefficients d’échange évoluent peu avec celles-ci. De plus, des visualisations de l’écoulement ont été effectuées simultanément aux mesures et nous avons montré que les paramètres géométriques avaient un impact direct sur les transitions entre les régimes d’écoulement. Pour la majeure partie des expériences réalisées, la pression de fonctionnement était de 70 kPa (relativement à la pression atmosphérique), les vitesses massiques étaient comprises entre 100 kg.m−2 .s−1 et 800 kg.m−2 .s−1 et les flux thermiques testés ont pu atteindre la valeur maximale de 250 kW.m−2 , lors de la détermination du flux de chaleur critique (CHF).