Caractérisation des propriétés thermophysiques et d’échanges de chaleur des nano-fluides à base de nanotubes de carbone

Résumé :
Les transferts de chaleur constituent la base de nombreux processus industriels qui sont présents dans notre vie quotidienne. L’intensification de ces échanges et l’amélioration du rendement sont devenues aujourd’hui une problématique majeure dans le monde industriel, des organismes de réglementation mais aussi de la société dans son ensemble, qui prend conscience de l’épuisement progressif des ressources énergétiques et qui se soucie de l’avenir en matière énergétique. Face à ces enjeux énergétiques et environnementaux, Le défi technologique réside dans le développement de nouveaux processus pour une meilleure gestion de l’énergie. Ce travail de thèse s’inscrit dans ce cadre, et concerne particulièrement les problèmes liés à l’intensification des échanges thermiques dans les échangeurs de chaleur. Les améliorations des échanges thermiques dites ‘passives’ sont une voie déjà largement élaborée et atteignent leurs limites. De nouvelles stratégies d’optimisation doivent donc être étudiées. Une de ces stratégies consiste à améliorer les propriétés thermiques des fluides caloporteurs utilisés dans les systèmes thermiques, notamment dans les échangeurs de chaleur.

Des progrès importants en chimie ont permis dès la fin des années 90 de synthétiser des particules de taille nanométrique, qui, dispersées dans un liquide porteur, constituent des nano-fluides. Leur synthèse répond au besoin d’améliorer les propriétés thermiques des fluides caloporteurs en y insérant une phase solide de conductivité thermique très élevée. Le fil directeur de ce travail consiste donc à caractériser de manière approfondie le comportement thermique et rhéologique des nano-fluides à base de nanotubes de carbone (NTC) utilisés tout au long de ce travail afin de quantifier les principaux paramètres influençant leurs propriétés thermophysiques et les phénomènes physiques régissant l’intensification des transferts thermiques induits par ces nano-fluides. Une analyse des travaux de recherche antérieurs a été menée dans le but de s’affranchir des différents paramètres qui peuvent influencer le comportement thermique et rhéologique des nano-fluides dont on citera les paramètres liés à la composition des nano-fluides (fraction volumique des NTC, type de surfactant, rapport d’aspect des NTC), la température, le fluide de base.

Suite à cette étude, nous avons mené une étude expérimentale sur les propriétés thermophysiques des nano-fluides testés (conductivité thermique, viscosité dynamique, masse volumique) et sur les performances thermiques dans un échangeur de chaleur. Nous avons présenté également une analyse des résultats de façon à étudier l’influence des paramètres évoqués ci-dessus. Les résultats obtenus sont comparés et discutés vis-à-vis des modèles classiques existants, en proposant des améliorations et des interprétations selon les tendances obtenues.

Les résultats prometteurs de cette étude sont très encourageants et montrent que l’utilisation des nano-fluides à base de nanotubes de carbone offre clairement une amélioration des performances thermiques par rapport aux fluides de base classiques. Les nano-fluides à base de NTC peuvent constituer ainsi un débouché prometteur des transferts thermiques et présentent de bonnes perspectives et développement.