Amélioration du transfert de chaleur et de masse à l'aide de nanofluides auto-réhumidifiants

Heat and mass transfer improvement using self-rewetting nanofluids

• Auteur / Autrice : Ibrahim Zaaroura
• Direction : Souad Harmand, Julien Carlier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique. Energétique, matériaux
• Date : Soutenance le 25/11/2020
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - Laboratoire d'automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (Valenciennes, Nord ; 1994-...)
• Jury : Président / Présidente : Khellil Sefiane
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Souad Harmand, Julien Carlier, Rachid Bennacer, Gilles Despaux, Vincent Thomy, Bertrand Nongaillard, Aurélie Fasquelle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rachid Bennacer, Gilles Despaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanofluides

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Gestion thermique

Caloducs

Micro échangeurs de chaleur

Nanofluides autoréhumidifiants

Transfert de chaleur

Évaporation des gouttes

Champ acoustique

Thermal management

Heat pipes

Micro Heat Exchangers

Self-Rewetting nanofluids

Heat transfer

Droplets Evaporation

Acoustic field

Résumé

La gestion thermique est actuellement un enjeu majeur dans de nombreux secteurs industriels. Les dispositifs de transfert de chaleur (comme les caloducs) sont des systèmes intégrés qui utilisent des modes de transfert par convection, évaporation et condensation. L'efficacité de l'échange thermique peut être améliorée en utilisant une nouvelle méthode de nanotechnologie connue sous le nom de nanofluides. Les nanofluides sont des suspensions de particules nanométriques (de 2 à 100 nm) dans les fluides. Cette amélioration est due à l'augmentation significative de la conductivité effective dans la plage de 10 à 50% ainsi qu'à leurs coefficients de transfert de chaleur par convection. Cependant, des limitations liées aux phénomènes de nanoparticules, de sédimentation et d'agrégation apparaissent au cours de différentes phases. Dans ce projet, afin d'optimiser les performances et la stabilité des nanofluides, deux méthodes différentes ont été utilisées: une optique couplée à une méthode de thermographie infrarouge et une méthode acoustique à haute fréquence. La sélection des nanoparticules a été basée sur leurs performances thermiques lors de l'évaporation de gouttelettes sessiles à l'aide d'un système Kruss, dans les mêmes conditions et à des concentrations différentes. Ainsi, des ondes acoustiques haute fréquence, en surface, ont permis d'analyser la stabilité de nanoparticules lors de l’évaporation où ces particules sont en suspension avec des fluides de base tels que l'eau ionisée, des mélanges binaires auto-réhumidifiant (Pour améliorer la circulation des fluides à l'intérieur caloducs grâce à leurs propriétés physiques comme les phénomènes Marangoni thermique, Marangoni de concentration, capillaires ...). Les nanofluides sélectionnés seront utilisés par la suite pour analyser expérimentalement leurs performances sur les dispositifs de transfert de chaleur à boucle de fluide capillaire biphasé et dans les échangeurs de chaleur à micro-canaux en trouvant et en calculant la résistance thermique du système, le coefficient de transfert de chaleur par convection et la température de paroi.

Thermal management is currently a major issue in many sectors of industry. Heat transfer devices (like Heat Pipes, Heat exchangers…) are integrated systems that use transfer modes by convection, evaporation and condensation. The efficiency of heat exchange can be improved by using a new nanotechnology method known as nanofluids. Nanofluids are suspensions of nano-size particles (from 2 to 100nm) in the fluids. This improvement is due to the significant increase in the effective conductivity in the range 10-50% as well as their convective heat transfer coefficients. However, limitations related to the phenomena of nanoparticle, sedimentation and aggregation appear during different phases. In this project, in order to optimize the performance and stability of nanofluids, two different methods were used: an optical one coupled to an infrared thermography method and a high frequency acoustic method. The selection of nanoparticles was based on their thermal performance during evaporation of sessile droplets using a Kruss system, under same conditions and at different concentrations. Thus, high frequency acoustic waves, at the surface, make it possible to analyze the stabilities of nanoparticles during its evaporation where these particles are in suspension with base fluids such as ionized water, self-rewetting binary mixture (To improve the circulation of fluids inside heat pipes thanks to their physical properties like thermal Marangoni, concentration Marangoni, capillary...). The selected nanofluids will be used later to analyze experimentally their performance on two-phase capillary fluid loop heat transfer devices and in micro-channel heat exchangers by finding and calculating the thermal resistance of the system, convection heat transfer coefficient and wall temperature