Etude préliminaire de la caractérisation des performances thermo-hydrauliques de nouveaux fluides caloporteurs

Les changements climatiques et la diminution des énergies fossiles poussent à repenser notre approche de la production et de la consommation d’énergie, nécessitant une transformation des modes de vie pour éviter une crise économique, environnementale et sociale. La transition énergétique est devenue un sujet principal dans les débats publics, avec des enjeux technico-économiques liés à la production, la distribution et l’utilisation de l’énergie. Dans ce contexte, les échangeurs thermiques jouent un rôle essentiel dans divers domaines industriels et technologiques. Aussi, le développement de techniques de transfert de chaleur efficaces est devenu important en raison de la demande croissante de refroidissement et de la miniaturisation des composants. Les fluides caloporteurs utilisés dans ces systèmes sont traditionnellement des fluides newtoniens tels que l’eau, l’huile minérale et l’éthylène glycol. Cependant, les performances énergétiques de ces fluides sont limitées pour la dissipation de la chaleur dans des systèmes nécessitant une haute dissipation thermique. Une technique 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. Les particules solides présentent une conductivité thermique supérieure, leur ajout au fluide de base entraîne un changement dans leurs propriétés thermophysiques, permettant ainsi d’améliorer le transfert de chaleur. Un point majeur est également de pouvoir proposer des fluides caloporteurs innovants avec un impact minimal sur l’environnement et la santé. Les nanofluides ont longtemps été perçus comme fluides caloporteurs prometteurs, mais présentent des défis en termes de stabilité et de toxicité des nanoparticules. Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet FLUIDINE, financé par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR-22-CE05-0017-01). Son objectif est de développer des suspensions dites non colloïdales, dans lesquelles les particules sont de taille micrométrique. Il comporte deux aspects principaux. Le premier consiste à développer une approche de métrologie thermo-fluidique avancée pour mesurer les propriétés thermiques, physiques et rhéologiques de ces suspensions en présence de cisaillement. La caractérisation des propriétés thermophysiques des fluides caloporteurs (capacité thermique massique, conductivité thermique, viscosité cinématique et masse volumique) sera réalisée selon un protocole similaire à celui développé pour une étude récente sur les nanofluides dans le laboratoire. Le second aspect portera sur la caractérisation expérimentale des performances thermohydrauliques des nouveaux fluides caloporteurs circulant dans des échangeurs réels. Les performances thermohydrauliques seront évaluées sur un banc d’essai d’échangeur de laboratoire dont les conditions thermiques sont particulièrement bien contrôlées. Cette évaluation s’appuiera notamment sur une méthode de mesure du coefficient d’échange convectif par thermographie infrarouge développée au sein de l’équipe de recherche. Dans cette communication, les différentes méthodes de caractérisation des propriétés thermophysiques des fluides caloporteurs étudiés sont présentées. Une description du banc d’essai utilisé pour mesurer les performances thermo-hydrauliques est également réalisée, ainsi qu’une présentation des premières mesures effectuées.

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