Modélisation des transferts thermiques en parois dans un réacteur de fluoration de l'uranium


     Expérience de Yamada et al. [1] : 

1       Objectif :

Yamada et al. se sont intéressés aux transferts thermiques radiatifs qui ont lieu entre le lit fluidisé et sa paroi. Ils pensent que le transfert radiatif peut jouer un rôle important dans l’amélioration des transferts thermiques d’un tel système. L’objectif est donc de quantifier et de modéliser de tels échanges à l’intérieur du lit fluidisé.

2       Dispositif expérimental :

Pour répondre à l’objectif, ils ont utilisé un réacteur expérimental, équipé d'une fenêtre en céramique qu'ils pouvaient refroidir ou réchauffer selon l'expérience. Ils ont ainsi pu mesurer, à l'aide d'un laser He-Ne et d'une caméra à thermographie infrarouge, les échanges thermiques à la paroi.

Pour réaliser les expériences, un lit fluidisé d’une hauteur de 1000mm et d’une section de 100x90mm2 a été utilisé. Une feuille fixée située à 40mm du bas du lit, agit à titre de distributeur, et deux parois latérales sont en verre Pyrex transparent pour permettre l'observation.

Nous pouvons voir le dispositif expérimental sur la figure suivante :

Fig. 4 – Dispositif expérimental de l‘expérience de Yamada et al.

Cinq types de particules ont été testées par ce système. Ces cinq particules sont :

Toutes les particules sont considérées comme étant sphériques sauf le zircon ce qui permettra de pouvoir comparer les résultats obtenus avec une simulation numérique.

La figure suivante permet de voir de façon plus précise le système :

yamada_exp2

Fig. 2 – Mesure du transfert de chaleur pour l’expérience de Yamade et al.

Le transfert de chaleur à travers la fenêtre en céramique, ayant une épaisseur de 2 mm, a été réalisé avec un chalumeau à l'acétylène. Le flux de chaleur qtot a été estimé grâce à deux thermocouples de type K (Chromel/Alumel) placé de part et d'autre de la fenêtre. La température du lit a elle aussi été mesurée grâce à un thermocouple de type K, et on obtient alors une expression du coefficient de transfert total htot :

eq_yamada
Le taux de transfert de chaleur radiatif a été estimé pour deux types de disques en céramique, l’un étant recouvert d’une feuille d’or ayant une émissivité de 0,2 et l’autre sans feuille d’or ayant une émissivité de 0,9 pour des longueurs d’onde de 3 à 8 μm ; afin d'évaluer le rayonnement de la composante de transfert de chaleur total.

3       Résultats :

Les expériences ont été menées pour différentes vitesses de fluidisation et pour des hauteurs de lit différentes. Deux cas de fluidisation ont été observés : le premier cas est une fluidisation bouillante et un autre cas une fluidisation très diluée.

L’évolution du coefficient de transfert thermique en fonction de la température est représentée sur cette figure :

yamada_res

Fig. 6 – a) Fluidisation bouillonnante U=2Umf et h=70 mm; b) Fluidisation diluée U 3Umf et h=10 mm

Dans le cas d'un lit bouillonnant, il apparait ainsi qu'il y a très peu de différences selon que l'on utilise le disque doré ou non. La contribution de la composante radiative dans le transfert de chaleur globale est négligeable dans ce cas. Pour le cas dilué, on observe une différence importante entre les deux disques, ce qui montre l'importance du transfert radiatif lorsque le milieu est peu dense et très chaud, la température étant ici un peu plus importante que dans le cas bouillonnant.