Nanofluides à base de graphène : développement, caractérisation et application aux systèmes énergétiques et de chaleur

Graphene based nanofluids : development, characterization and application for heat and energy systems

• Auteur / Autrice : Samah Hamze
• Direction : Thierry Maré, Patrice Estellé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique, thermique et combustion
• Date : Soutenance le 15/10/2020
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie civil et génie mécanique (LGCGM)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanofluides

Graphène

Mots clés libres

Graphène à quelques couches

Tyfocor® LS

Nanofluides

Performance thermique

Few layer graphene

Tyfocor® LS, nanofluids

Thermal performance

Résumé

Dans notre vie quotidienne, le transfert de la chaleur et de l’énergie constitue la base de nombreux processus industriels. L’épuisement progressif des énergies fossiles conduit à améliorer et optimiser les rendements de ces échanges par de nouveaux procédés. Pour cela, une idée d’améliorer la performance thermique des fluides dans les échangeurs de chaleur a été proposée pour réduire l’énergie consommée pour l’échange de chaleur. Cette idée est basée sur l’introduction des nanoparticules solides qui présentent des propriétés thermiques beaucoup plus importantes que les liquides caloporteurs dans ces derniers, en obtenant un nanofluide. Cette introduction a pour effet d’augmenter la conductivité thermique du fluide mais d’autre part provoque une augmentation défavorable de sa viscosité qui résulte en une augmentation de la puissance de pompage. Alors il faut faire un compromis entre la stabilité, la conductivité thermique et la viscosité des nanofluides. Dans cette étude, des nanofluides à base de graphène à quelques couches et un fluide commercial, Tyfocor® LS, ont été préparés dans la gamme de concentration massique 0,05-0,5% en utilisant trois surfactants différents. Une étude complète sur ces nanofluides est présentée, y compris la synthèse des feuillets de graphène, la préparation des nanofluides et l’étude de leur stabilité, ainsi que l’évaluation expérimentale de leurs propriétés thermophysiques en fonction de la concentration en graphène, du type de surfactant utilisé et de la température dans la gamme 283,15-323,15 K. Finalement, sur la base de ces résultats et par une approche qualitative, le potentiel applicatif des nanofluides dans des systèmes énergétiques est déterminé pour sélectionner le meilleur candidat. Les résultats ont montré une bonne amélioration de la performance thermique par rapport aux fluides de base dans la gamme de température testée et surtout le nanofluide de la série du surfactant Pluronic® P-123 de concentration massique 0,25%.

In our daily lives, the heat and energy transfer forms the basis of many industrial processes. The gradual depletion of fossil fuels leads to improving and optimizing the efficiency of these exchanges through new processes. To this end, the idea of improving the thermal performance of fluids in heat exchangers has been proposed forward to reduce the energy consumed for heat exchange. This idea is based on the introduction of solid nanoparticles, which have much greater thermal properties than heat-transfer fluids in the latter, obtaining a nanofluid. This introduction has the effect of increasing the thermal conductivity of the fluid but on the other hand causes an unfavorable increase in its viscosity, which results in an increase in pumping power. So a compromise has to be made between the stability, thermal conductivity and viscosity of nanofluids. In this study, few layer graphene based nanofluids and a commercial fluid, Tyfocor® LS, were prepared in the weight concentration range 0.05-0.5% using three different surfactants. A complete study on these nanofluids is presented, including the synthesis of the graphene sheets, the preparation of the nanofluids and the study of their stability, as well as the experimental evaluation of their thermo-physical properties as a function of the graphene concentration, the type of surfactant used and the temperature in the range 283.15-323.15 K. Finally, on the basis of these results and through a qualitative approach, the potential application of nanofluids in energy systems is determined in order to select the best candidate. The results showed a good improvement of the thermal performance compared to the base fluids in the tested temperature range and especially the nanofluid of the Pluronic® P-123 surfactant series with a mass concentration of 0.25%.