L’ébullition est un mode de transfert de chaleur très efficace utilisé dans de nombreux systèmes technologiques comme les centrales nucléaires ou refroidissement de micro-électronique. La prédiction des échanges thermiques par ébullition reste actuellement très délicate, en raison de la complexité du phénomène, malgré des décennies de recherche sur le sujet. Le coefficient de transfert thermique est intimement lié à la dynamique de bulles (nucléation des bulles, croissance et détachement) ainsi qu’à des facteurs tels la densité de sites de nucléation ou les interactions entre bulles voisines et successives. La présente étude porte sur l’ébullition saturée sur un site de nucléation artificiel unique (ou deux sites voisins) sur une paroi en cuivre poli. La dynamique de croissance des bulles a été caractérisée pour différentes surchauffes de paroi et une loi expérimentale de croissance a été établie. Les interactions entre bulles successives issues du même site ont été étudiées, montrant qu’elles peuvent provoquer des oscillations de la bulle en croissance. Les forces agissant sur une bulle en croissance ont été clairement définies, et un bilan de quantité de mouvement a été réalisé à tous les stades de la croissance d’une bulle. La courbure le long de l’interface a été mesurée, ce qui a permis de mieux saisir le mécanisme de détachement de la bulle. L’ascension d’une bulle après son détachement a été analysée, et la vitesse maximale atteinte avant un changement de direction a été estimée et comparée aux modèles existants dans la littérature. L’interaction entre bulles croissant côte à côte a été étudiée. La génération et la propagation d’une onde lors de la coalescence a été mise en évidence. Dans le contexte de travaux de recherche sur des techniques d’intensification des échanges thermiques, cette étude se penche particulièrement sur l’intensification par électrohydrodynamique. Des expériences d’ébullition ont été réalisées en présence de champs électriques, et leurs effets sur les transferts thermiques et sur la dynamique des bulles ont été analysés. Bien que le volume au détachement des bulles et la relation entre la fréquence et la surchauffe reste inchangées, la courbe de croissance des bulles est modifiée. Les bulles sont allongées dans la direction du champ électrique, et cette élongation a été estimée et comparée à d’autres résultats de la littérature. La vitesse d’ascension des bulles est réduite en présence de champs électriques, et les interactions de bulles voisines sont modifiées: il s’avère qu’en présence de champs électriques les bulles ont tendance à se repousser. Ces résultats, obtenus dans un environnement parfaitement contrôlé apportent la preuve que la présence de champs électriques modifie la dynamique des bulles et par conséquents les transferts thermiques associés. / Since boiling heat transfer affords a very effective means to transfer heat, it is implemented in numerous technologies and industries ranging from large power generation plants to micro-electronic thermal management. Although having been a subject of research for several decades, an accurate prediction of boiling heat transfer is still challenging due to the complexity of the coupled mechanisms involved. It appears that the boiling heat transfer coefficient is intimately related to bubble dynamics (i.e. bubble nucleation, growth and detachment) as well as factors such as nucleation site density and interaction between neighbouring and successive bubbles. In order to contribute to the understanding of the boiling phenomenon, an experimental investigation of saturated pool boiling from a single or two neighbouring artificial nucleation sites on a polished copper surface has been performed. The bubble growth dynamics has been characterized for different wall superheats and a experimental growth law has been established. The interaction between successive bubbles from the same nucleation site has been studied, showing the bubble shape oscillations that can be caused by these interactions. The forces acting on a growing bubble has been reviewed, and a complete momentum balance has been made for all stages of bubble growth. The curvature along the interface has been measured, and indications concerning the mechanism of bubble detachment have been suggested. The rise of bubble after detachment has been investigated, and the maximum velocity reached before a change of direction has been estimated and compared to existing models from the literature. The interaction between bubbles growing side by side has been studied: the generation and propagation of a wave front during the coalescence of two bubbles has been highlighted. As boiling heat transfer enhancement techniques are being imagined and developed, this study also focuses on the electrohydrodynamic enhancement technique. Boiling experiments have been performed in the presence of electric fields, and their effects on heat transfer and bubble dynamics have been characterized. Although the volume of the bubbles at detachment and the relationship between the bubble frequency and the wall superheat were not affected, the bubble growth curve was modified. The bubbles were elongated in the direction of the electric field, and this elongation was estimated and compared to other studies from the literature. The rising velocity of the bubble was reduced in the presence of electric field, and the behaviour of bubbles growing side by side was modified, the electric field causing the bubbles to repeal each other. These results, obtained in a fully controlled environment, provide compelling evidence that electric fields can be implemented to alter the bubble dynamics and subsequently heat transfer rates during boiling of dielectric fluids.

Afin d’optimiser la taille et le coût des évaporateurs basse pression utilisés dans les systèmes de climatisation à sorption, une bonne connaissance des phénomènes de vaporisation du fluide frigorigène tels qu’ils pourraient se produire dans ces évaporateurs est nécessaire. Cependant très peu d’études portent sur ce sujet et il y a un sérieux manque de données concernant les phénomènes de vaporisation (ébullition et évaporation) qui pourraient se produire dans des évaporateurs compacts basse pression. Le but de cette étude est donc d’aller plus loin dans la compréhension de ces phénomènes aussi bien d’un point de vue très fondamental que d’un point de vue applicatif. Dans cette optique, deux bancs d’essais ont été réalisés. Le premier banc d’essais permet d’étudier le comportement de l’eau dans une configuration d’ébullition en vase à une pression pouvant atteindre 0.8 kPa. À ces basses pressions, l’influence de la hauteur hydrostatique ne peut être négligée. Cette spécificité du milieu d’ébullition a une influence non négligeable sur la taille et la forme des bulles : cette influence est analysée. Les courbes d’ébullition pour des pressions allant de 0.8 kPa à 100 kPa sont tracées. L’ébullition en vase de l’eau dans un premier temps sans puis avec confinement est également étudiée. Des courbes d’ébullition sont tracées pour différentes pressions de vapeur et différentes hauteur de la colonne d’eau. Puis, six différents espaces de confinement sont testés pour des pressions allant de 1.2 kPa à 5 kPa. Un régime d’ébullition spécifique à la basse pression est observé. L’influence de l’apparition de ce régime sur le transfert de chaleur est montrée. Le deuxième banc expérimental permet d’observer la vaporisation de l’eau dans un canal d’évaporateur à plaques de dimension standard (0.2 m de large x 0.5 m de haut) dans des conditions similaires à celles obtenues dans une climatisation à absorption (pressions de travail variant de 16 kPa à 0.85 kPa, remplissage de la plaque variant de 1/2 à1/10 de la hauteur totale de la plaque). Un plan d’expérience est réalisé pour un espacement entre deux plaques de 2 mm et 4 mm. Trois principaux régimes d’ébullition ont été identifiés ainsi que trois différentes zones de travail: une zone d’ébullition en vase, une zone d’évaporation en film et une zone de vapeur. Il a été mis en évidence que la majorité du transfert de chaleur a lieu dans la zone d’évaporation en film. Le film observé dans cette partie est créé suite à la rupture de la membrane d’une bulle de plusieurs centimètres ayant pris naissance dans la partie d’ébullition en vase. Des puissances frigorifiques allant de 0 à 503 W ont été mesurées. Les conditions pour obtenir la meilleure puissance frigorifique possible sont déterminées. Enfin, dans une première tentative vers un dimensionnement des échangeurs compacts basse pression, des premières réflexions basées sur des nombres adimensionnels ont été proposés. / In order to be able to design properly low pressure evaporators for sorption chillers, knowledge on vaporization of the refrigerant under conditions that might occur in these evaporators is fundamental. However, few studies focus on this subject and there is a lack of knowledge about vaporization (boiling or evaporation) phenomena occurring in compact evaporator at low pressure. The aim of the present thesis is thus to go further into the understanding of these phenomena both from a fundamental point of view and from an applicative point of view. In that goal, two experimental test setups were designed and built. The first experimental setup allows the observation of the water behavior at a pressure down to 0.8 kPa in pool boiling configuration. As the hydrostatic pressure is of the same order of magnitude as the vapor pressure, the boiling environment is highly subcooled. This unusual environment has an influence on the bubble size and on the bubble growth: its influence is analyzed. Boiling curves for pressures ranging from 0.8 kPa to 100 kPa were also plotted. Then, in order to be closer to a plate-type heat exchanger configuration, water pool-boiling in vertical configuration first without and then with confinement was studied. Boiling curves for a pressure ranging from 1.2 kPa to 5 kPa, different heights of the liquid level and for different channel thicknesses were plotted and analyzed. The occurrence of a specific boiling regime is observed. The influence of the onset of this specific regime on the heat transfer is shown. The significance of the Bond number, often used in study of boiling in confined space, is also discussed. The second experimental setup allows the observation of the water vaporization inside a channel of a smooth plate-type heat exchanger (0.2 m width x 0.5 m height) in conditions that might occur in sorption chillers (working pressure ranging from 16 kPa to 0.85 kPa, secondary fluid temperature ranging from 10.9 to 23.1 °C, filling ratio ranging from 1/2 to 1/10 of the whole channel height). The methodology of the design of experiments was followed for a thickness of the channel equal to 2 mm and 4 mm. Three mains flow regimes were observed and three different working areas were identified: a pool boiling area, a film evaporation area and a vapor area. The major part of the cooling capacity achieved is obtained in the film evaporation area. In this part, the creation of a liquid film due to the splashing of droplets is observed. These droplets come from the breaks of the membrane of a previously formed large bubble of several centimeters in the pool boiling area, few centimeters above the free surface. Cooling capacities ranging from 0 to 503 W were measured and conditions to obtain the best cooling capacity were determined. Finally, in order to provide some first guidelines for the design of low pressure evaporators, reflexions based on dimensionless numbers are proposed.

L’ébullition est un mode de transfert de chaleur intervenant dans de nombreux systèmes thermiques ou énergétiques de par son efficacité. Dans certains, elle se produit à basse pression. La pression statique induite par la colonne de liquide au-dessus de la surface de formation des bulles n’est alors pas négligeable devant la pression de saturation à la surface libre. Dès lors, la pression et le sous-refroidissement induit ne peuvent plus être considérés homogènes autour des bulles, d’où des inhomogénéités des propriétés thermophysiques dans le fluide. Les influences relatives des forces s’exerçant sur une bulle pendant sa croissance sont modifiées par rapport aux pressions plus élevées : une dynamique de bulles différente apparaît. Ces conditions particulières affectent également les transferts thermiques. L’influence de la pression sur l’ébullition en vase a été étudiée expérimentalement dans le régime de bulles isolées en site unique. L’eau a d’abord été testée sur une large gamme de pressions subatmosphériques. Quatre comportements de dynamique de bulles ont été identifiés d’après la visualisation par caméra rapide. Plusieurs paramètres de la dynamique ont été quantifiés grâce à un traitement d’images adapté appliqué aux vidéos. Pour généraliser le concept d’ébullition à « basse pression » et mieux en appréhender les phénomènes fondamentaux, de nouveaux essais ont été réalisés avec un second fluide, le cyclohexane, choisi pour sa similitude thermodynamique avec l’eau bouillant en deçà de la pression atmosphérique. La comparaison des comportements des deux fluides a permis d’identifier certains paramètres responsables des spécificités du phénomène. En outre, de nouvelles fonctionnalités sont apportées au dispositif expérimental pour – notamment – effectuer la mesure rapide du flux transféré sous la bulle pendant sa croissance, synchroniser ces mesures thermiques avec l’acquisition d’images et étudier des surfaces d’ébullition structurées. Les résultats obtenus sont encourageants pour l’analyse des comportements spécifiques de l’ébullition à basse pression et ses applications. / Boiling is an efficient heat transfer mode used in numerous thermal or energy systems. In some systems boiling takes place at low pressure. The static head of the liquid column over the wall where bubbles nucleate is then not negligible against the saturation pressure at the free surface level. The pressure and the induced subcooling degree therefore cannot be considered as homogeneous around growing bubbles, resulting in non-homogeneous thermophysical properties in the fluid. The relative influence of the forces acting on a growing bubble differs from higher pressure conditions, yielding specific bubble dynamics features. Heat transfer is consequently also affected. The effect of the pressure on pool boiling was experimentally investigated during the isolated bubbles regime taking place from a single activated nucleation site. Experiments were first conducted with water for a wide range of subatmospheric pressures. Four distinct bubble dynamics behaviors were identified through high-speed camera visualizations. An adapted image processing of the recordings enabled the measurement of several bubble dynamics characteristics. In order to generalize the concept of pool boiling at "low pressure" and to get a better understanding of the related fundamental phenomena, new experiments were performed with a second fluid, cyclohexane, chosen from original thermodynamic similarity with water boiling at pressures lower than atmospheric. The comparison of fluids’ behaviors made possible the identification of parameters governing the specific phenomena occurring during boiling at low pressure. Besides, the experimental facility was improved to provide new functionalities. The high-speed measurement of the heat flux transferred under the growing bubble, its synchronization with the high-speed videos images and the study of boiling on enhanced surfaces are in particular made possible. Results are encouraging for a better understanding of the specific behaviors of low pressure boiling and for its future implementation in practical applications.