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1 Stéphane FOHANNO, Guillaume POLIDORI, Catalin POPA Equipe Thermomécanique Gro

1 Stéphane FOHANNO, Guillaume POLIDORI, Catalin POPA Equipe Thermomécanique Groupe de Recherche En Sciences Pour l’Ingénieur (GRESPI) Université de Reims Champagne-Ardenne, France Journée Thématique SFT – Paris, 15 mars 2012 « Intensification des transferts dans les échangeurs thermiques et multifonctionnels : Techniques, Outils d’analyse et Optimisation » Nanofluides et transfert de chaleur par convection naturelle Contexte et Objectifs Introduction – Définition d’un nanofluide – Bref historique Propriétés thermophysiques – Conductivité thermique – Viscosité dynamique – Autres propriétés Application à la convection naturelle Conclusion Bibliographie Plan de l’exposé Journée Thématique SFT – Intensification des transferts dans les échangeurs… – Paris, 15 mars 2012  Emergence d’un nouveau fluide caloporteur : Le nanofluide  Candidat potentiel pour application aux échangeurs  Nombreuses études en convection thermique  Résultats encourageants mais controversés Contexte et Objectifs Contexte Journée Thématique SFT – Intensification des transferts dans les échangeurs… – Paris, 15 mars 2012 Objectifs  Présentation succincte des nanofluides et de leurs propriétés  Indiquer pistes de réflexions sur l’application des nanofluides aux échangeurs et sur les travaux à mener  Exemple : Application à la modélisation de la convection naturelle Suspension de particules de taille nanométrique (nanoparticules) dispersées dans un liquide de base Liquides de base courants  Eau  Ethylène-glycol  Huiles Caractéristiques des nanoparticules  Une dimension < 100nm  Formes : Sphériques, cylindriques, …  Types de nanoparticules – Métalliques : Cu, Ag, Au, … – Oxydes : Al2O3, CuO, SiO2, TiO2 … – Nanotubes de carbone (CNT) Introduction Définition d’un nanofluide Journée Thématique SFT – Intensification des transferts dans les échangeurs… – Paris, 15 mars 2012 Introduction Bref historique Journée Thématique SFT – Intensification des transferts dans les échangeurs… – Paris, 15 mars 2012  Développement des nanotechnologies au début des années 90 => Possibilité de produire des particules de tailles submicroniques => Apparition d’un nouveau type de suspension (nanofluide) contenant des nanoparticules Idée : Pallier inconvénients rencontrés avec particules de plus grandes tailles  Inconvénients des suspensions contenant des particules de tailles millimétriques ou microniques  Fortes pertes de charge  Erosion  Sédimentation  Bouchons dans les écoulements Introduction Bref historique Journée Thématique SFT – Intensification des transferts dans les échangeurs… – Paris, 15 mars 2012  Premiers travaux => Axés principalement sur la conductivité thermique (k) => Observations expérimentales : Forte augmentation de k lors de l’ajout de nanoparticules (Plusieurs dizaines de %)  Application des nanofluides à la convection L’amélioration de k fait-elle du nanofluide un candidat pour remplacer fluide conventionnel dans certains échangeurs? Nombreux travaux sur la convection forcée Convections naturelle et mixte : Travaux plus récents et moins nombreux Dans quelle mesure peut-on intensifier les transferts convectifs? Quels paramètres doivent-être pris en compte? Avantages / Inconvénients? A-t-on les mêmes réponses selon le type de convection? Introduction Quelques articles de synthèse récents Journée Thématique SFT – Intensification des transferts dans les échangeurs… – Paris, 15 mars 2012 – Kakac S., Pramuanjaroenkij A. 2009. Review of convective heat transfer enhancement with nanofluids. Int. J. Heat Mass Transfer 52: 3187-3196. – Murshed S.M.S., Leong K.C., Yang C. 2008. Thermophysical and electrokinetic properties of nanofluids – A critical review. Applied Thermal Engineering 28: 2109-2125. – Ozerinc S., Kakac S., Yazicioglu A.G. 2010. Enhanced thermal conductivity of nanofluids: a state-of-the-art review. Microfluid. Nanofluid 8: 145-170. – Wang X.-Q., Mujumdar A.S. 2007. Heat transfer characteristics of nanofluids : a review. Int. J. Thermal Sciences 46: 1-19. – Wen D., Lin G., Vafaei S., Zhang K. 2009. Review of nanofluids for heat transfer applications. Particuology 7: 141-150. Matériaux Aluminium (Al) Cuivre (Cu) Alumine (Al2O3) Eau Air Ethylène-Glycol (40%-60%) 237 401 36 0,60 0,0263 0,249 Comparaison des conductivités thermiques (k) de quelques solides et fluides à 20°C   1  K . k -1 W.m Journée Thématique SFT – Intensification des transferts dans les échangeurs… – Paris, 15 mars 2012 suspension la de volume ules nanopartic de volume   Propriétés thermophysiques  k solide >> k fluide => k effective de la suspension? => modèle théorique proposé par Maxwell (1873) pour une suspension diluée (Fraction volumique  < 1%) avec  Modèle de Maxwell (1873) => Suspension diluée + particules sphériques  Modèle de Hamilton & Crosser (1962) => Prise en compte de la non-sphéricité des particules (n=3/Y avec Y : Sphéricité (Y =1 pour une sphère) Modèles de conductivité thermique Propriétés thermophysiques ( : fraction volumique; p : particule; bf : fluide de base, nf : nanofluide) Journée Thématique SFT – Intensification des transferts dans les échangeurs… – Paris, 15 mars 2012  Propriétés thermophysiques Journée Thématique SFT – Intensification des transferts dans les échangeurs… – Paris, 15 mars 2012 Propriétés thermophysiques 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 0% 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10% Thermal conductivity ratio Volume fraction alumina/water Maxwell alumina/water Mintsa et al. alumina/water Chon et al. CuO/water Mintsa et al. Evolution de la conductivité thermique avec la fraction volumique (Popa et al. 2010, Int. J. Thermal Sci., vol.49) Journée Thématique SFT – Intensification des transferts dans les échangeurs… – Paris, 15 mars 2012  Modèle d’Einstein (1906) => Suspensions diluées  Modèle de Brinkman (1952) Viscosité dynamique Propriétés thermophysiques ( : fraction volumique; p : particule; bf : fluide de base, nf : nanofluide) 1 2.5     nf bf   5 2 1 1 nf bf      Journée Thématique SFT – Intensification des transferts dans les échangeurs… – Paris, 15 mars 2012  Modèles généralement insuffisants pour décrire l’évolution de la viscosité => Diamètre des particules non pris en compte => Rôle du surfactant ou dispersant inconnu => Rôle de la température => Sérieuses difficultés pour la modélisation de la convection  Autre voie possible pour la modélisation des phénomènes de convection : Utilisation de corrélations expérimentales => Nécessité de mesurer la viscosité dynamique et la conductivité thermique sur un même nanofluide Limites des modèles Propriétés thermophysiques Journée Thématique SFT – Intensification des transferts dans les échangeurs… – Paris, 15 mars 2012 Corrélations expérimentales => Mesure directe de la conductivité et de la viscosité  Viscosité dynamique  Conductivité thermique   1 72 1    , bf nf k k   1 3 7 123 2        , bf nf Propriétés thermophysiques a) Eau-Al2O3 (Maïga et al. 2006; Mintsa et al. 2009) (Diamètre moyen des particules : ) nm dp 47    99 0 74 1 , ,    bf nf k k   475 1 3 3197 0 051 0 009 0 2 3 , , , , ,          bf nf b) Eau-CuO (Nguyen et al. 2007; Mintsa et al. 2009) (Diamètre moyen des particules : ) nm dp 36   Viscosité dynamique  Conductivité thermique Journée Thématique SFT – Intensification des transferts dans les échangeurs… – Paris, 15 mars 2012  Masse volumique  Coefficient d’expansion volumique  Chaleur massique        1 nf bf p              p p bf P nf p C C C        1 Autres propriétés => Lois de mélange couramment utilisées Propriétés thermophysiques ( : fraction volumique; p : particule; bf : fluide de base, nf : nanofluide)   1 nf bf p       Journée Thématique SFT – Intensification des transferts dans les échangeurs… – Paris, 15 mars 2012 Propriétés thermophysiques Evolution des paramètres thermophysiques d’une suspension Eau/Alumine avec la fraction volumique + Influence du choix du modèle de viscosité : (I) Modèle analytique de Brinkman (1952) (II) Corrélation expérimentale de Maïga et al. (2005) (Polidori et al. 2007, Int. J. Thermal Sci., vol.46) Journée Thématique SFT – Intensification des transferts dans les échangeurs… – Paris, 15 mars 2012 Propriétés thermophysiques Evolution du nombre de Prandtl avec la fraction volumique (Popa et al. 2010, Int. J. Thermal Sci., vol.49) Journée Thématique SFT – Intensification des transferts dans les échangeurs… – Paris, 15 mars 2012 Application (Popa et al. 2010, Int. J. Thermal Sci., vol.49) Modélisation de la convection naturelle externe d’un nanofluide le long d’une plaque plane verticale – Influences de la fraction volumique et de la suspension * Corrélations expérimentales pour k et mu * Lois de mélanges pour les autres propriétés Eau – Al2O3 Eau – CuO Journée Thématique SFT – Intensification des transferts dans les échangeurs… – Paris, 15 mars 2012  Résultats encourageants mais controversés  Nécessité d’une meilleure connaissance des propriétés thermophysiques => Constitution de bases de données expérimentales => Aide pour la simulation numérique de ces écoulements et la validation de modèles des propriétés  Extension des études à d’autres types de nanofluides et de géométries: => nécessité de disposer de données expérimentales suffisantes (connaissance de k et  au minimum Conclusion Journée Thématique SFT – Intensification des transferts dans les échangeurs… – Paris, uploads/Finance/ 04-jsft-echangeur-2012-grespi-fohanno-pdf.pdf