NOUVEAUX FLUIDES CALOPORTEURS AMÉLIORÉS PAR LES NANOPARTICULES : BESOINS ET TENDANCES

Article d’un invité : Professeur Alina Adriana Minea

Dans la majorité des équipements d’ingénierie, les fluides sont essentiels pour de nombreux processus de transfert de chaleur. Parmi les fluides caloporteurs classiques, on trouve l’eau, l’éthylène glycol, les huiles thermiques et les huiles de moteur. 

Il existe un énorme besoin en termes d’amélioration des procédés thermiques. Surtout en ce qui concerne la recherche de nouvelles solutions susceptibles de favoriser la miniaturisation des composants de la plupart des équipements thermiques. Il est également urgent d’obtenir des taux de transfert de chaleur plus élevés, combinés à des degrés de conversion énergétique plus élevés.

La capacité des fluides caloporteurs courants est en fait limitée en termes de propriétés thermiques. Ces restrictions peuvent à leur tour imposer des limitations sévères dans de nombreuses applications thermiques. Les recherches et les efforts déployés sont considérables, mais il reste nécessaire et urgent de développer de nouvelles stratégies pour améliorer les propriétés thermiques de ces fluides.

Amélioration du transfert de chaleur

De nombreuses procédures permettent d’améliorer le transfert de chaleur. Malheureusement, les inconvénients des fluides conventionnels entravent encore l’amélioration des performances et la compacité des équipements de chauffage ou de refroidissement.

Toutes les stratégies se réfèrent à l’essentiel et tiennent compte de la loi de Newton sur la convection. Une amélioration du transfert de chaleur par convection repose sur deux techniques principales, les méthodes actives et passives. La plus courante consiste à augmenter (étendre) la surface de transfert de chaleur en prévoyant des extensions ou des ailettes différentes (c’est-à-dire circulaires, en pin, etc.). 

Inversement, si l’on considère que le fluide lui-même peut être amélioré, en augmentant son coefficient de transfert de chaleur par convection, il faut tenir compte de l’amélioration de la conductivité thermique. Que peut-on faire pour améliorer cette propriété intrinsèque ? On peut répondre simplement si l’on considère que presque tous les fluides ont une conductivité thermique inférieure à celle des solides. La solution consiste à améliorer le fluide en mettant en suspension des particules hautement conductrices. On peut donc s’attendre à ce qu’un fluide contenant des particules solides augmente sa conductivité. Voilà les bases de l’idée des nanofluides dans la communauté scientifique.

Même si cette idée a reçu une grande attention, plusieurs inconvénients et questions se posent néanmoins. Comment les particules peuvent-elles rester en suspension dans le fluide ? Comment réduire le colmatage ? Quelles sont les particules qui conviennent ? Comment d’autres propriétés sont-elles affectées par l’ajout de particules ? Ces quelques questions d’ordre général nécessitent des recherches intensives dans le domaine des nouveaux fluides caloporteurs.

Les nanotechnologies appliquées au transfert de chaleur

Par le passé, les techniques d’augmentation du transfert de chaleur ajoutaient des particules solides comme additif aux fluides. Cette pratique, bien que vieille de 100 ans, a perdu de sa popularité au cours des dernières années. Même si elle est efficace, l’utilisation de particules solides comme additifs a créé presque autant de problèmes qu’elle n’en a résolus :

• Érosion
• Encrassement
• Chute de pression
• Sédimentation

Une meilleure alternative est offerte par les progrès récents dans le domaine des matériaux et des nanotechnologies : des particules de l’ordre du nanomètre. On appelle nanofluides les fluides innovants de transfert de chaleur en suspension dans des particules solides de la taille du nanomètre. Ces particules auraient été introduites par Choi [1]. Quoique certains pensent que ce phénomène a été découvert par d’autres personnes en Chine, quelques années avant que Choi ne publie ses premiers documents à ce sujet.

1995 est l’année où les nanofluides sont apparus comme une idée de recherche avant-gardiste. Depuis, de nombreux efforts ont été déployés pour faire progresser les connaissances sur les fluides de transfert de chaleur enrichis en nanoparticules.

Biographie

Alina Adriana Minea est professeure titulaire à la Technical University Gheorghe Asachi de Iasi, en Roumanie et Directrice du conseil de coordination de l’école doctorale en génie des matériaux. Elle a publié plus de 140 articles et a écrit ou co-écrit 17 livres, la plupart dans le domaine du transfert de chaleur. Ses travaux de recherche portent sur le transfert de chaleur dans les équipements industriels, basé sur la modification de la géométrie de la chambre thermique et l’amélioration de la consommation d’énergie, ainsi que sur les nanofluides comme technique d’amélioration du transfert de chaleur. Elle est actuellement membre du comité de rédaction régional de la revue Thermal Sciences, rédactrice en chef adjoint de la revue Thermal Science (Springer) et International Journal of Thermophysics (Springer), rédactrice pour le Journal of thermal science and engineering progress (Elsevier) et rédactrice en chef de IREHEAT journal. En 2013 et 2016, elle a reçu le prix du meilleur examinateur de Applied Energy, Elsevier et en 2016 et 2019 celui du meilleur chercheur du Technical University Gh. Asachi from Iasi.

Ses principaux projets actuels sont les suivants : « Nanouptake COST action. » et « NanoRound ». Son travail actuel est basé sur des études numériques et expérimentales pour le développement de nouveaux fluides de transfert de chaleur.

Référence

1. Choi, S.U.S., Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles, in: proceedings ASME FED, vol. 231, pp. 99–105, 1995.