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Le ruissellement de films liquides minces sur des surfaces planes inclinées se rencontre dans de nombreux procédés, notamment les colonnes de condensation à films tombants, les désorbeurs et absorbeurs à plaques. Dans ces procédés, le liquide tombe généralement le long d'une surface verticale, ces conditions promeuvent la déstabilisation de la surface libre du film liquide et la formation de vagues qui apportent une intensification substantielle des transferts de chaleur et de masse à travers le film liquide. Les mécanismes exacts à l'origine de cette intensification ne sont toutefois pas encore complètement élucidés. Il est donc nécessaire d'envisager des études expérimentales pour caractériser les transferts. Les couplages entre hydrodynamique et transferts thermiques, la faible épaisseur des films, ainsi que la nature complexe des instabilités rendent néanmoins relativement difficile l'obtention de mesures et leur analyse. Dans cette étude, le comportement dynamique de films liquides minces s'écoulant le long d'un plan incliné et chauffé uniformément est caractérisé. Ces mesures sont couplées à des mesures basées sur la fluorescence induite par laser (LIF) à deux couleurs qui permettent de quantifier l'échauffement du film. Dans un premier temps, des mesures de la température moyenne dans l'épaisseur du film ont été réalisées. Elles ont permis de quantifier l'influence des principaux paramètres de l'écoulement (nombre de Reynolds, angle d'inclinaison de la paroi inclinée et la fréquence des vagues) sur le nombre de Nusselt local [1]. Dans un deuxième temps, afin d'obtenir des informations plus détaillées, la technique précédente a été étendue à de l'imagerie en éclairant le film perpendiculairement au sens de l'écoulement par un plan laser [2]. Les images obtenues permettent d'observer le champ de température dans l'épaisseur du film avec une résolution de quelques dizaines de microns. L'évolution de la couche limite qui se développe le long de la paroi chauffée a été étudiée pour quelques configurations d'écoulement dans lesquelles les vagues conservent un aspect bidimensionnel. A proximité de l'entrée du film, sur une distance de quelques centimètres, la croissance de la couche limite thermique suit le modèle classique de Nusselt pour un film liquide non-perturbé car son épaisseur reste faible par rapport à celle du film. Au-delà d'une distance critique, proportionnelle au nombre de Péclet, l'épaisseur de la couche limite se rapproche de celle du film. La théorie classique de Nusselt diverge alors des résultats expérimentaux et ce d'autant plus que les vagues ont une grande amplitude. Un modèle simplifié est proposé pour des amplitudes de vague modérées. Dans ce cas, la structure interne du film peut continuer à être décrite par un champ de vitesse de type parabolique, et la diffusion thermique est le mécanisme dominant du transfert dans la direction normale à la paroi chauffée. Pour les amplitudes plus élevées, les résultats mettent en évidence des zones de recirculation dans les bosses ainsi que le décollement de la couche limite thermique au niveau des creux capillaires. Références : [1] R. Collignon et al., Experiments in Fluids 63 (2022) 68 doi:10.1007/s00348-022-03420-x [2] R. Collignon et al., Experiments in Fluids 62 (2021) 115 doi:10.1007/s00348-021-03175-x

Les machines à absorption présentent de nombreux avantages pour les applications de production de froid à bas coût énergétique et environnemental. De nombreuses technologies de machines ont été mises au point, souvent basées sur un fluide de travail spécifique. Typiquement, ces fluides de travail sont des mélanges binaires de deux espèces dont l'enthalpie est dépendante du niveau de mélange de la solution. Cette dépendance se traduit par une réaction chimique exo ou endo-thermique lors de l'évaporation ou de la condensation du fluide, ce qui introduit un couplage très fort entre les transferts de masse et de chaleur. Les principaux fluides réfrigérants utilisés dans les machines à absorption sont l'ammoniac et l'eau. L'utilisation de solution saline comme fluide réfrigérant permet de s'affranchir d'un étage de rectification. Dans cette étude, deux machines distinctes fonctionnant avec deux mélanges binaires sont considérées. La première machine a pour fluide de travail \chemform{NH_3}-\chemform{Li N O_3} et pour la seconde ce fluide est \chemform{H_2O}-\chemform{Li Br}. Ces machines ont pour ambition d'utiliser des échangeurs à plaques standard afin de réduire leur coût de fabrication. Dans le cas du mélange à base d'ammoniac, les pressions de travail sont élevées (entre 3 et 6 bar), ce qui permet l'utilisation de générateur de vapeur noyés au niveau de l'évaporateur comme du désorbeur. Dans le cas des machines mettant en œuvre l'eau comme fluide frigorigène, les pressions de fonctionnement sont très faibles (entre 7 et 50 mbar), ce qui nécessite l'utilisation d'échangeurs à plaque couplés à des structures capillaires radiales spécifiques conçues pour limiter les pertes de charge. L'architecture des deux machines est comparée en fonction de leurs conditions de fonctionnement spécifiques sont comparées. L'évolution des performances des composants des machines est étudiée à l'aide de leurs efficacités. La modélisation qui en résulte est validée expérimentalement et les performances des machines sont évaluées aussi bien numériquement qu'expérimentalement.

De par sa forte capacité thermique, sa forte chaleur latente de vaporisation et son innocuité sur l'environnement, l'eau représente un bon fluide de substitution à de nombreux fluide frigorigènes utilisés pour la production de froid positif. Les machines à sorptions sont aujourd'hui les principaux systèmes où ce fluide est utilisé. Ces machines à absorption utilisent majoritairement des échangeurs à films tombants pour opérer les transferts couplés de masse et de chaleur compte tenu de leurs performances, permettant ainsi de travailler avec de faibles débits de fonctionnement et de limiter les surchauffes des fluides caloporteurs. Les échangeurs tubulaires sont majoritairement utilisés dans ces machines, en particulier au niveau de l'évaporateur, compte tenu des très faibles pressions qui y règnent, conduisant à des machines volumineuses et des couts de fabrication onéreux. De nombreux efforts de recherche doivent encore être fournis pour en améliorer leur compacité et réduire les couts de fabrication. La présente étude s'intéresse aux alternatives offertes par les échangeurs à plaques et films ruisselants. Si les transferts évaporatifs commencent à être mieux appréhendé [1], l'ébullition qui peut s'y développer est encore mal comprise. L'étude s'intéresse ici aux mécanismes d'ébullition en présence de films fins d'eau pure, saturé, ruisselant sur une plaque plane rainurée verticale. La plaque est chauffée à l'aide d'un fluide secondaire. Différents phénomènes d'ébullition ont été observés à l'aide d'une caméra rapide dans des gammes de fonctionnement typique des systèmes de rafraichissement. Afin d'identifier et de caractériser les régimes d'ébullition, un algorithme de détection et de suivi des bulles a été développé. A l'aide des informations tirées des vidéos, les bilans d'énergie locaux sont effectués et permettent de quantifier l'importance du transfert avec changement de phase au niveau des bulles de l'intensification des transferts convectifs au sein du film favorisant l'évaporation à la surface libre. Différentes populations de bulles de comportement distincts ont été observées. Les résultats suggèrent que les mécanismes de changement de phase dominants sont différents pour chaque population. Les résultats de cette étude sont discutés et les perspectives de recherche à ce sujet sont introduites. [1] R. Collignon, B. Stutz. Numerical simulation and modeling of the heat and mass transfer in a grooved flat falling film evaporator. International Journal of Refrigeration, 2022. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2022.10.021.

Thin wavy liquid films are used in many industrial applications as heat and mass transfer promoters, for example they are used in plate heat exchanger or in cooling columns of nuclear power plants. However, the mechanisms of transfer intensification related to the instabilities are still poorly understood and models do not allow to account for all physical phenomena and their coupling. The aim of this work is to study experimentally the intensification of heat transfers between a heated flat inclined wall and the liquid film, when it is traversed by 2D waves on its surface. For this purpose, an experiment has been developed, allowing to impose perturbations on a water film flowing on a thin titanium sheet, heated by Joule effect. Two non-intrusive measurement techniques, based on the laser-induced fluorescence (LIF) technique with two dyes and two colors (2c2d-LIF) were performed to characterize heat transfer. The temporal evolutions of the local average temperature and thickness of the film were measured at one point using a point LIF measurement. A continuous laser radiation, with a wavelength of 532 nm, is used to excite the fluorescence of the seeded liquid by a couple of fluorescent tracers. The intensity of the fluorescence is detected on two different spectral bands: the ratio of the two intensities makes it possible to determine the average temperature of the volume of the probed film, while the intensity measurement makes it possible to obtain the thickness of the film. The use of a pulsed laser allows to freeze the dynamics of the film. Thus, the simultaneous use of two CCD cameras allows to apply the 2c2d-LIF technique in order to obtain an image of the instantaneous temperature field inside the wavy liquid film. The use of a fluorescence intensity ratio on two spectral bands allows to get rid of poorly controlled parameters related to the fluorescence intensity such as the variation of the laser intensity in the film, induced by the deformation of the free surface of the film. A reconstruction algorithm provides the spatio-temporal evolution of the temperature field over the period relative to a wave. The association of these techniques with the measurement of the wall temperature by thermocouples allows to correlate the presence of surface waves to the intensification of heat transfers. The results obtained allow to highlight the influence of convective mixtures induced by surface waves on heat transfers, as a function of parameters such as the frequency of waves and the volume flow rate of the liquid., Les films liquide minces à instabilités de surface sont utilisés dans de nombreuses applications industrielles comme promoteurs des transferts de chaleur et de masse, dans les échangeurs à plaques ou dans les colonnes de refroidissement de centrales nucléaires par exemple. Cependant, les mécanismes de l’intensification des transferts liés aux instabilités sont encore mal compris et les modèles ne permettent pas de rendre compte de l’ensemble des phénomènes physiques et de leurs couplages. Le but de ces travaux est d’étudier expérimentalement l’intensification des transferts de chaleur entre une paroi chauffée plane inclinée et le film liquide lorsqu’il est parcouru de vagues 2D à sa surface. Pour cela un dispositif expérimental a été développé, permettant d’imposer des perturbations à un film d’eau s’écoulant sur une feuille mince de titane, chauffée par effet Joule. Deux techniques de mesure non-intrusives, basées sur la technique de fluorescence induite par laser (LIF) à deux colorants et deux couleurs (2c2d-LIF) ont été effectuées pour caractériser les transferts de chaleurs. Les évolutions temporelles de l’épaisseur et de la température moyennes locales du film ont été mesurées en un point à l’aide d’une mesure par LIF ponctuelle. Un rayonnement laser continu, de longueur d’onde 532 nm, est utilisé afin d’exciter la fluorescence du liquide ensemencé par un couple de traceurs fluorescents. L’intensité de la fluorescence est détectée sur deux bandes spectrales différentes : le rapport des deux intensités permet de déterminer la température moyenne du volume du film sondé, alors que la mesure d’intensité permet d’obtenir l’épaisseur du film. L’utilisation d’un laser impulsionnel permet de figer la dynamique du film. Ainsi, l’utilisation simultanée de deux caméras CCD permet d’appliquer la technique 2c2d-LIF afin d’obtenir une image du champ de température instantané à l’intérieur du liquide, au passage des vagues. L’utilisation d’un rapport d’intensité de fluorescence sur deux bandes spectrales permet de s’affranchir de paramètres mal maîtrisés, liés à l’intensité de fluorescence comme la variation de l’intensité du laser dans le film, induite par la déformation de la surface libre du film. Un algorithme de reconstruction permet de disposer de l’évolution spatio-temporelle du champ de température sur la période relative à une vague. L’association de ces techniques avec la mesure de température de paroi par des thermocouples permet de corréler la présence de vagues de surface à l’intensification des transferts de chaleur. Les résultats obtenus permettent de mettre en évidence l’influence de mélanges convectifs induits par les vagues de surface sur les transferts de chaleur, ceci en fonction de paramètre tels que la fréquence des vagues et le débit volumique du liquide.

International audience; An optical measurement technique has been developped to characterize the heat transfer in a falling liquid film with surface instabilities, which is flowing down an inclined plane. The waves traveling at the free surface are generated harmonically. The novel technique based on Laser Induced Fluorescence enables to provide simultaneously a measurement of the thickness and the temperature of the liquid film. The experimental results reveal the temporal evolution of the average temperature in the thickness of the film, when the film is travelled by waves of controlled frequency. MOTS-CLÉS. Transferts de chaleur, Fluorescence induite par laser, Film ruisselant mince, Instabilités de surface.; Une technique de mesure optique a été développée afin de caractériser les transferts de chaleur dans un film ruisselant mince tombant sur un plan incliné. Le film est perturbé par des vagues excitées harmoniquement et se propageant à sa surface libre. Une technique de Fluorescence Induite par Laser est spécialement développée afin de pouvoir mesurer de façon simultanée l'épaisseur et la température dans les vagues au cours du temps. Les mesures révèlent ainsi l'évolution de la température moyenne dans l'épaisseur du film au passage des vagues dont la fréquence peut être contrôlée

Le ruissellement de films liquides minces est rencontré dans une variété de procédés, notamment les condenseurs, les évaporateurs ou encore les colonnes d'absorption à film tombant. En général, les conditions rencontrées dans ces applications sont telles que la surface libre du film est instable et que des vagues s'y propagent. Depuis longtemps, la présence des vagues est utilisée pour intensifier les transferts de chaleur et de masse à travers le film liquide. Cependant, les mécanismes à l'origine de cette intensification ne sont pas toujours pas complètement élucidés, les couplages entre l'hydrodynamique et la thermique rendant la modélisation complexe. L'augmentation de la surface d'échange entre le liquide et le gaz, la formation de rouleaux dans la crête des vagues, l'amincissement du film devant le front de vague sont autant de phénomènes qui peuvent jouer un rôle important. Dans cette étude, le transfert de chaleur dans un film liquide mince qui s'écoule sur une paroi en titane chauffée uniformément par effet Joule est mesuré. La fluorescence induite par laser (LIF) permet de caractériser la température. Le liquide est préalablement ensemencé par deux colorants : la kiton red (KR) et la rhodamine 560 (R560). Un laser continu Nd:YAG à 532 nm est utilisé afin d'exciter la fluorescence dans le film ruisselant. L'émission des deux colorants étant décalés en longueur d'onde, les signaux émis par KR et R560 peuvent être détectés séparément au moyen de deux tubes photomultiplicateurs équipés de filtres chromatiques adéquats. Ces signaux varient différemment avec la température (le signal de KR diminue avec la température, tandis que celui de R560 augmente). Ces signaux varient avec l'épaisseur du film, en revanche, le rapport de leur intensité n'est pas affecté par l'épaisseur du film et les perturbations optiques. Ce rapport peut donc être utilisé pour mesurer la température. Une sonde optique a été spécialement développée afin de mettre en œuvre la technique, dans cette configuration où le seul accès optique est par le dessus du film. Les mesures permettent de reconstituer l'évolution temporelle de la température moyenne dans l'épaisseur du film lors du passage des vagues. L'épaisseur du film est évaluée au même endroit en utilisant la quasi-proportionnalité entre le signal de fluorescence et cette épaisseur. Parallèlement, la température de paroi est déterminée par des thermocouples fixés en dessous de la paroi. Une étude paramétrique met en évidence l'influence sur le transfert de chaleur dans le film, de la fréquence et de l'amplitudes des vagues, de l'angle d'inclinaison de la paroi, et du débit de liquide dans le film. Pour les différents cas étudiés, le nombre de Nusselt est comparé au film lisse (sans vague) équivalent pour lequel des modèles existent, ceci permet de quantifier l'intensification des transferts lié aux vagues.