Étude de la performance énergétique de fluides caloporteurs innovants pour application aux échangeurs de chaleur

Study of the energy performance of innovative heat transfer fluids for application to heat exchangers

• Auteur / Autrice : Saba Chamoun
• Direction : Stéphane Fohanno, Catalin Viorel Popa
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Thermique et énergétique
• Date : Inscription en doctorat le 07/11/2022
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences du Numérique et de l’Ingénieur (Reims, Marne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Thermique, Mécanique, Matériaux (ITheMM) - EA 7548

Mots clés

Mots clés libres

Echangeurs de chaleur

Performance énergétique

Suspensions non colloïdales

Propriétés thermophysiques

Heat exchangers

Energy performance

Non-colloidal suspensions

Thermophysical properties

Résumé

Ce travail de recherche s'inscrit dans le cadre du projet FLUIDINE (FLUIDs with INnovative formulation and high Energy efficiency performance for thermo-fluidic components) financé par l'ANR. Le projet consiste en un partenariat entre deux équipes de recherche spécialisées dans les domaines de la thermique et de la mécanique des fluides complexes : le CERI Energie Environnement de l'IMT Nord Europe (Site de Douai, 59) et l'Institut de Thermique, Mécanique, Matériaux (ITheMM) de l'Université de Reims Champagne-Ardenne. Le travail de thèse s'effectuera au sein de l'ITheMM situé à Reims. L'intensification des transferts thermiques dans les échangeurs de chaleur est une problématique majeure dans le contexte de la transition énergétique. L'évolution actuelle des techniques tend à réduire les tailles des canaux de circulation des fluides afin d'augmenter la compacité de ces composants thermiques. Le refroidissement des composants électroniques notamment qui est un challenge important pour l'industrie du futur utilise couramment des milli / micro-échangeurs soumis à de très fortes densités de flux thermiques. Sont également concernées les applications de plus grande échelle comme les échangeurs embarqués dans le ferroviaire ou l'automobile. Dans toutes ces applications, des techniques d'intensification passives sont très souvent utilisées afin de modifier la structure de l'écoulement pour augmenter les échanges convectifs, comme en témoigne la littérature scientifique abondante et porteuse d'innovation. Une technique alternative d'intensification consiste à modifier les propriétés du fluide caloporteur en mettant en suspension dans le fluide des particules solides de petites tailles afin de lui conférer des propriétés d'échange thermique (conductif et surtout convectif) plus importantes, tout en étant facilement exploitables du point de vue de leur mise en écoulement. Un point majeur est également de pouvoir proposer des fluides caloporteurs innovants avec un impact minimal sur l'environnement et la santé. Les nano-fluides (nanoparticules en suspension dans un solvant liquide) ont longtemps été perçus comme fluides caloporteurs prometteurs. En effet, la présence de particules solides d'un matériau à forte diffusivité thermique permet de doper la conductivité apparente de la suspension, qui conserve cependant un comportement liquide. Cependant la mise en application de ces nano-fluides pose certains problèmes de sécurité de par la présence de nanoparticules, nocives pour la santé et l'environnement. Ainsi, la communauté scientifique s'est récemment intéressée à l'utilisation de suspensions dites non-colloïdales, où les particules sont de tailles micrométriques et donc moins dangereuses pour la santé et moins contraignantes d'utilisation. Les écoulements avec ce type de suspensions (non-colloïdales et non browniennes) constituent un système particulier où le mélange se produit spontanément à faibles nombres de Reynolds grâce à plusieurs mécanismes. Ce travail de thèse comportera deux principaux volets. Le premier concernera le développement de suspensions à haute performance énergétique réalisé en collaboration avec le deuxième partenaire (IMT Nord Europe). Une approche de métrologie thermo-fluidique avancée sera développée pour mesurer les propriétés thermiques, physiques et rhéologiques des suspensions innovantes en présence de cisaillement. La caractérisation fine des propriétés thermo-physiques des fluides innovants (capacité thermique massique, conductivité thermique, viscosité cinématique) sera réalisée selon un protocole similaire à celui développé pour une récente étude sur des nano-fluides dans le laboratoire et complétée par les mesures rhéologiques de l'IMT Nord Europe. Le second volet s'attachera à la caractérisation expérimentale des performances thermo-hydrauliques des nouveaux fluides caloporteurs (suspensions non-colloïdales et non browniennes) en écoulement dans des échangeurs réels. Les performances thermo-hydrauliques seront évaluées sur un banc d'essais d'échangeurs de laboratoire aux conditions thermiques particulièrement bien contrôlées. Cette évaluation s'appuiera en particulier sur une méthode de mesure du coefficient d'échange convectif par thermographie infrarouge développé au sein de l'équipe de recherche. Par ailleurs, une étude paramétrique par simulation numérique (CFD) sera menée à des fins de prédimensionnement et d'aide à la conception d'échangeurs utilisant ces fluides innovants.

This research work is part of the project « FLUIDINE » (FLUIDs with INnovative formulation and high Energy efficiency performance for thermo-fluidic components) funded by the ANR (French National research agency). The project consists in a partnership between two research teams specialized in the fields of thermal and complex fluid mechanics: the CERI Energie Environnement of IMT Nord Europe (Douai, 59) and the Institut de Thermique, Mécanique, Matériaux (ITheMM) of the University of Reims Champagne-Ardenne. The thesis work will be carried out in the laboratory ITheMM located in Reims. The intensification of heat transfer in heat exchangers is a major issue in the context of the energy transition. The current evolution of techniques tends to reduce the sizes of fluid circulation channels in order to increase the compactness of these thermal components. The cooling of electronic components in particular, which is an important challenge for the industry of the future, commonly uses milli / micro-exchangers subjected to very high densities of heat fluxes. This also applies to larger-scale applications such as on-board thermofluidic components in the rail or automobile sectors. In all these applications, passive enhancement techniques are very often used to modify the flow structure to increase convective exchanges, as evidenced by the abundant scientific literature and promising innovation. An alternative intensification technique consists in modifying the properties of the heat transfer fluid by suspending small solid particles in the fluid in order to give it greater heat exchange properties (conductive and especially convective), while being (almost) easily exploitable as a heat transfer fluid. A major point is also to be able to offer innovative heat transfer fluids with minimal impact on the environment and health. Nanofluids (nanoparticles suspended in a liquid solvent) have long been seen as promising heat transfer fluids. Indeed, the presence of solid particles of a material with high thermal diffusivity makes it possible to boost the apparent conductivity of the suspension, which nevertheless retains a liquid behaviour. However, the application of these nanofluids poses certain safety problems due to the presence of nanoparticles, harmful to health and the environment. Thus, the scientific community has recently become interested in the use of so-called non-colloidal suspensions, where the particles are micrometric in size and, therefore, less dangerous to health and less restrictive of use. Flows with this type of suspensions (non-colloidal and non-Brownian) constitute a special system where the mixture occurs spontaneously with low Reynolds numbers thanks to several mechanisms. This thesis work will have two main parts. The first one will concern the development of high energy performance suspensions in collaboration with the second partner (IMT Nord Europe). An advanced thermo-fluidic metrology approach will be developed to measure the thermal, physical and rheological properties of innovative suspensions in the presence of shear. The fine characterization of the thermophysical properties of the innovative fluids (specific heat, thermal conductivity, kinematic viscosity) will be carried out according to a protocol similar to the one developed for a recent study on nanofluids in the laboratory and completed by rheological measurements from IMT Nord Europe. The second part will focus on the experimental characterization of the thermal-hydraulic performances of the new heat transfer fluids (non-colloidal and non-Brownian suspensions) in flow in real heat exchangers. The thermal-hydraulic performances will be evaluated on a test bench of laboratory heat exchangers under particularly well-controlled thermal conditions. Particularly, this evaluation will be based on a convective heat transfer coefficient measuring method by infrared thermography developed within the research team. In addition, a parametric study by numerical simulation (CFD) will be carried out for pre-sizing purposes and design aid of heat exchangers using these innovative fluids.