Caractérisation expérimentale d’écoulements bouillants intervenant dans les récepteurs solaires à Génération Directe de Vapeur

Les technologies solaires thermiques à concentration (CST) constituent une alternative renouvelable prometteuse aux sources d’énergie conventionnelles. Elles consistent à concentrer le rayonnement solaire à l’aide de miroirs. L’élévation de température ainsi obtenue permet d’utiliser l’énergie thermique produite soit pour la production d’électricité dans des centrales solaires à concentration (Concentrated Solar Power, CSP), soit directement dans des procédés industriels nécessitant de la chaleur (Solar Heat for Industrial Processes, SHIP). Dans les systèmes classiques, l’énergie solaire absorbée est extraite par un fluide caloporteur (huiles ou sels fondus), ce qui présente des inconvénients environnementaux, corrosifs et liés au remplacement. La Génération Directe de Vapeur (GDV) au sein des capteurs est donc explorée comme une option plus durable. Une boucle expérimentale, nommée ConBo, a été développée au laboratoire PROMES. Elle permet l’étude des écoulements diphasiques bouillant eau-vapeur dans un tube horizontal ou légèrement incliné de 50 mm de diamètre interne. L’eau est chauffée par induction jusqu’à la vaporisation, suivie d’une section transparente de visualisation où les régimes d’écoulement sont enregistrés, donnant accès à des variables quantitatives telles que la vitesse et la fraction de vide. Le dispositif comprend des sondes de température dans le fluide et sur la paroi du tube ainsi que des capteurs de pression différentielle, de débit et d'inclinaison. Le débit massique, la température d’entrée, le flux thermique et l’inclinaison du tube peuvent être ajustés. Les données issues des capteurs ont été utilisées pour déterminer les coefficients locaux de transfert thermique et les différences de température verticale, tandis que les images ont permis de classifier les régimes d’écoulement. Plus de 300 expériences ont été réalisées. La comparaison des coefficients d'échange avec les corrélations disponibles dans la littérature a montré un accord insuffisant, ce qui a conduit au développement d’une nouvelle corrélation plus précise. La distribution de température dans le solide a également été analysée, révélant un effet contre-intuitif : le haut du tube est la plupart du temps plus froid que le bas. Cela résulte de la formation intermittente d'un film liquide sur la paroi supérieure. Celui-ci améliore significativement le transfert thermique local et réduit donc la température de la paroi. Un modèle mécanistique développé dans le cadre de ce travail corrobore ces observations.

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