Caractérisation des propriétés thermo-physiques et d’échanges de chaleur des nanofluides à base de nanotubes de carbone

Characterization of thermophysical properties and heat exchange of carbon nanotubes based nanofluids

• Auteur / Autrice : Salma Halelfadl
• Direction : Thierry Maré
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil, thermique et mécanique
• Date : Soutenance le 23/06/2014
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes ; 1996-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie civil et génie mécanique (LGCGM) - Laboratoire de Génie Civil et Génie Mécanique
• Partenaire(s) de recherche : : Université européenne de Bretagne (2007-2016)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Ménézo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Maré, Christophe Ménézo, Stefan Van Vaerenbergh, Cong Tam Nguyen, Mohammed El Ganaoui, Patrice Estellé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stefan Van Vaerenbergh, Cong Tam Nguyen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rhéologie

Nanotubes

Transfert de chaleur

Nanofluides

Conservation de l'énergie

Mots clés libres

Conductivité thermique

Performances thermiques

Energy conservation

Nanofluids

Heat transmission

Résumé

Les transferts de chaleur constituent la base de nombreux processus industriels qui sont présents dans notre vie quotidienne. L’intensification de ces échanges et l’amélioration du rendement sont devenues aujourd’hui une problématique majeure dans le monde industriel, des organismes de réglementation mais aussi de la société dans son ensemble, qui prend conscience de l’épuisement progressif des ressources énergétiques et qui se soucie de l’avenir en matière énergétique. Face à ces enjeux énergétiques et environnementaux, Le défi technologique réside dans le développement de nouveaux processus pour une meilleure gestion de l’énergie. Ce travail de thèse s’inscrit dans ce cadre, et concerne particulièrement les problèmes liés à l’intensification des échanges thermiques dans les échangeurs de chaleur. Les améliorations des échanges thermiques dites ‘passives’ sont une voie déjà largement élaborée et atteignent leurs limites. De nouvelles stratégies d’optimisation doivent donc être étudiées. Une de ces stratégies consiste à améliorer les propriétés thermiques des fluides caloporteurs utilisés dans les systèmes thermiques, notamment dans les échangeurs de chaleur. Des progrès importants en chimie ont permis dès la fin des années 90 de synthétiser des particules de taille nanométrique, qui, dispersées dans un liquide porteur, constituent des nanofluides. Leur synthèse répond au besoin d’améliorer les propriétés thermiques des fluides caloporteurs en y insérant une phase solide de conductivité thermique très élevée. Le fil directeur de ce travail consiste donc à caractériser de manière approfondie le comportement thermique et rhéologique des nanofluides à base de nanotubes de carbone NTC utilisés tout au long de ce travail afin de quantifier les principaux paramètres influençant leurs propriétés thermo-physiques et les phénomènes physiques régissant l’intensification des transferts thermiques induits par ces nanofluides. Une analyse des travaux de recherche antérieurs a été menée dans le but de s’affranchir des différents paramètres qui peuvent influencer le comportement thermique et rhéologique des nanofluides dont on citera les paramètres liés à la composition des nanofluides (fraction volumique des NTC, type de surfactant, rapport d’aspect des NTC), la température, le fluide de base… Suite à cette étude, nous avons mené une étude expérimentale sur les propriétés thermo-physiques des nanofluides testés (conductivité thermique, viscosité dynamique, masse volumique) et sur les performances thermiques dans un échangeur de chaleur. Nous avons présenté également une analyse des résultats de façon à étudier l’influence des paramètres évoqués ci-dessus. Les résultats obtenus sont comparés et discutés vis-à-vis des modèles classiques existants, en proposant des améliorations et des interprétations selon les tendances obtenues. Les résultats prometteurs de cette étude sont très encourageants et montrent que l’utilisation des nanofluides à base de nanotubes de carbone offre clairement une amélioration des performances thermiques par rapport aux fluides de base classiques. Les nanofluides à base de NTC peuvent constituer ainsi un débouché prometteur des transferts thermiques et présentent de bonnes perspectives et développement.

Heat transfer is one of the most important industrial processes in our daily lives. Nowadays, the intensification of the heat transfer and the improving of the energy efficiency have become a major problem in industry, regulatory agencies, and also the society that becomes conscious of the progressive exhaustion of the world’s energy resources and cares about the future of energy. Due to these energy and environmental issues, the technological challenge is to develop new processes for better energy management. This work fits in that context and applies particularly the problems associated to the improvements of heat exchanger’s energy efficiency. The conventional methods for increasing the heat transfer in heat exchangers have already been extensively explored and have reached their objective limits. There is therefore an urgent need for new strategies with improved performances. The novel concept of improving the thermal properties of the working fluids used in thermal system, especially in heat exchangers, has been proposed as a means of meeting these challenges. The innovative concept of nanofluids heat transfer fluids consisting of suspended of nanoparticles with very high thermal conductivities has been proposed for these challenges. The aim of this work is therefore to characterize profoundly the thermal and the rheological behavior of nanofluids containing carbon nanotubes CNTs used throughout of this work. This is in order to quantify the main parameters influencing their thermophysical properties and physical phenomena governing the intensification of heat transfer induced by these nanofluids. An analysis of previous researches has been conducted for the purpose of establishing various parameters that may influence the thermal and rheological behavior of nanofluids, which including the parameters related to the composition of nanofluids (volume fraction of CNTs, type of surfactant, aspect ratio of CNTs), the temperature, the base fluid... Following this study, experiments have been carried out on the thermal physical properties of tested nanofluids (thermal conductivity, dynamic viscosity, density) and thermal performances in a heat exchanger. Analyses of the results have been presented in order to study the influence of the abovementioned parameters. The results obtained are compared and discussed vis-à-vis the existing conventional models, suggesting improvements and interpretations according to the trends obtained. The promising results of this study are very encouraging and show that the use of nanofluids containing carbon nanotubes clearly improved the thermal performances compared to the conventional base fluids. The CNT-based nanofluids can thus be a promising candidate for heat transfer and presents good perspective and development.