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RÉSUMÉ
Les efforts visant à améliorer les échangeurs thermiques dans de nombreux secteurs industriels (automobile, électronique...) nécessitent l'intensification des transferts de chaleur par convection. De nouvelles voies d'optimisation doivent donc être étudiées. L’utilisation des nanofluides en tant que fluide thermique est un nouveau domaine encore en phase de recherche. L’influence d'un certain nombre de paramètres, tels que la taille et la forme, les phénomènes aux interfaces entre liquide et particules, sont encore mal compris et caractérisés. Au final, le succès du développement d'un nanofluide industriel demande la résolution simultanée de plusieurs aspects, à commencer par l’amélioration du coefficient d’échange thermique.
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Jean-Antoine GRÜSS
INTRODUCTION
Les efforts visant à améliorer les échangeurs thermiques dans de nombreux secteurs industriels (automobile, électronique…) nécessitent l'intensification des transferts de chaleur par convection [1] [2] [3] [4] [5]. Les améliorations dites « passives », au niveau des surfaces d'échange, sont une voie déjà largement explorée et atteignent leurs limites. De nouvelles voies d'optimisation doivent donc être étudiées. L'une d'elles consiste à utiliser de nouveaux fluides capables d'accroître les transferts thermiques : c'est le cas des nanofluides.
La définition des termes techniques, en gras dans le texte, est donnée dans un tableau en fin d'article.
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Propriétés thermophysiques des nanofluides
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2. Préparation des nanofluides
Les procédés de fabrication de nanoparticules sont nombreux. Ils peuvent être classés en deux catégories :
-
les procédés physiques, comme le broyage mécanique ;
-
les procédés chimiques, comme la pyrolyse laser ou la précipitation chimique [9] [13].
En général, les nanoparticules utilisées pour la synthèse de nanofluides sont à base d'oxydes, de nitrures, de carbures, de métaux purs ou d'alliages, de nanotubes de carbone (NTC). On trouve également des particules composites pouvant utiliser des polymères.
Le tableau 1 regroupe une liste non exhaustive de combinaisons de nanoparticules et de fluides de base préparés par différents groupes de recherche.
Il existe deux méthodes principales pour produire des nanofluides :
-
la méthode en deux étapes consiste à produire dans un premier temps les nanoparticules, puis à les disperser dans le fluide de base. Pour permettre une bonne dispersion, une forte action mécanique à l'aide d'un agitateur rotatif ou d'ultrasons est souvent nécessaire afin de briser les agglomérats. En outre, pour éviter l'agglomération due aux forces d'attraction entre les particules, on utilise des forces de répulsion électrostatique en chargeant la surface des particules en adaptant le pH. On peut également utiliser les forces de répulsion stériques à l'aide de molécules adsorbées ou greffées sur la surface ;
-
la méthode en une seule étape consiste à produire les nanoparticules dans le fluide de base. Moins industrielle, elle n'est utilisable que pour certains nanofluides mais permet d'éviter l'agglomération et l'oxydation des nanoparticules. Un exemple de procédé consiste à condenser sous forme de nanoparticules une vapeur métallique dans un réacteur sur un film de liquide à basse tension de vapeur (figure 2).
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Préparation des nanofluides
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BONTEMPS (A.), GARRIGUE (A.), GOUBIER (C.), HUETZ (J.), MARVILLET (C.), MERCIER (P.), VIDIL (R.) - Intensification des échanges thermiques. - [BE 2 343] Techniques de l'Ingénieur.
-
(2) - PADET (J.) - Convection thermique et massique – Principes généraux. - [BE 8 205] Génie énergétique (2005).
-
(3) - PADET (J.) - Convection thermique et massique – Nombre de Nusselt : partie 1. - [BE 8 206] Génie énergétique (2005).
-
(4) - PADET (J.) - Convection thermique et massique – Nombre de Nusselt : partie 2. - [BE 8 207] Génie énergétique (2005).
-
(5) - LALLEMAND (A.) - Écoulement des fluides – Étude physique et cinématique. - [BE 8 151] Génie énergétique (1999).
-
(6) - LE...
ANNEXES
CHOI (S.) - Enhancing Thermal Conductivity of Fluids with Nanoparticles. - The American Society of Mechanical Engineers, New-York, vol. 231/MD-vol. 66:99-105, nov. 1995.
DAS (S.), CHOI (S.), YU (W.), PRADEEP (T.) - Nanofluids : Science and Technology. - J. Wiley (2008).
YU (W.), FRANCE (D.), ROUTBORT (J.), CHOI (S.) - Review and Comparison of Nanofluid Thermal Conductivity and Heat Transfer Enhancements. - Heat Transfer Engineering, vol. 29, p. 432-460 (2008).
TRISAKSRI (V.), WONGWISES (S.) - Critical Review of Heat Transfer Characteristics of Nanofluids. - Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 11, p. 512-523 (2007).
KABELAC (S.), KUHNKE (J.) - Heat transfer mechanisms in nanofluids – Experiments and theory. - 13 th IHTC, Sydney, 13-18 août 2006.
YU (W.), FRANCE (D.), CHOI (S.), ROUTBORT (J.) - Review and Assessment of Nanofluid Technology for Transportation and Other Applications. - ANL/ESD/07-9 (2007).
OH (D.W.), KWON (O.), LEE (J.S.) - Transient Thermal Conductivity and Colloidal Stability Measurements of Nanofluids by Using the 3 omega Method. - Journal of Nanoscience and Nanotechnology, vol. 8, 10, p. 4923-4929 (2009).
Anonymous - International Nanofluid Properties Benchmark Exercise (INPBE). - (2008) http://mit.edu/nse/nanofluids/benchmark/index.html
WANG (B.), ZHOU (L.), PENG (X.), ZHANG (X.) - Enhancing the effective thermal conductivity of liquid with dilute suspensions of nanoparticles. - Fifteenth Symposium on Thermophysical properties, Boulder, CO, États-Unis, 22-27 juin 2003.
HWANG (Y.), AHN (Y.), SHIN (H.), LEE (C.), KIM (G.), PARK (H.), LEE (J.) - Investigation on Characteristics of Thermal Conductivity Enhancement of Nanofluids. - Current...
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