Critical boiling phenomena observed in microgravity

¹ ICMCB, CNRS, Université de Bordeaux I, avenue du Dr. Schweitzer, 33608 Pessac cedex, France
² 3AR, Aérospatiale, CNRS, avenue du Dr. Schweitzer, 33608 Mérignac cedex, France
³ CPMOH, CNRS, Université de Bordeaux I, cours de la Libération, 33608 Talence cedex, France
⁴ DRFMC, CEA, CENG, 17 avenue des Martyrs, 38054 Grenoble cedex 9, France

Abstract

We report experimental observations of the critical boiling when co-existing gas and liquid phases of pure fluid are heated under weigthlessness through the critical point. We find that when the system's temperature T is being increased to the critical temperature T_c so that it's slightly out of equilibrium, the apparent contact angle becomes very large (up to 110 ^○). The gas appears to "web" the solid surface. In addition, we detect large temperature gradients between the (hot) gas phase and the (cold) liquid phase in the interferometric cell. These unexpected results are robust: they are observed either under continuous heating (ramping) or stepping by positive temperature quenches, for various morphologies of the gas bubble and in different fluids (SF₆ and CO₂). The difference in isentropic thermal responses of gas and liquid during heating, due to the adiabatic heating by the "Piston Effect", is responsible for the temperature non-homogeneities. The vapour recoil force due to liquid evaporation, which is involved in the boiling crisis in heat exchangers, is presumably at the origin of the interface deformation.

Résumé

Nous rapportons les observations expérimentales obtenues en chaffant un fluide pur diphasique gaz-liquide en coexistence au cours de la traversée de son point critique en absence de pesanteur. Lorsque la température du système diphasique hors d'équilibre est augmentée vers la température critique, nous observons en transmission un angle de contact apparent de la vapeur très important (atteignant 110 ^○), le gaz semblant "mouiller" la surface solide. De plus, d'importants gradients de température entre la phase gaz chaude et la phase liquide froide sont mesurés dans les cellules observées par interférométrie. Ces résultats inattendus sont observés pour un chauffage continu (rampe) et par trempe positive (échelon), pour différents rapports d'aspect du système diphasique, pour des cellules de CO₂ et de SF₆, démontrant ainsi une grande robustesse. Les réponses isentropiques différentes du gaz et du liquide lors du chauffage par effet piston sont certainement responsables des inhomogénéités de température. La force de recul de la vapeur due à l'évaporation pourrait être la cause dominante de la déformation de l'interface liquide-vapeur à l'approche de la température de transition.