La conception de la surface de l'échangeur de chaleur pourrait améliorer l'efficacité

États-Unis : des chercheurs du MIT affirment avoir trouvé un moyen d'améliorer l'efficacité des systèmes grâce à un traitement de surface spécialement adapté aux matériaux des échangeurs de chaleur.

La recherche, qui est actuellement encore à l'échelle du laboratoire, implique une combinaison de trois types différents de modifications de surface à différentes échelles de taille. Cependant, les chercheurs admettent que davantage de travail est nécessaire pour développer un processus pratique à l'échelle industrielle.

Les nouvelles découvertes sont décrites dans la revue Advanced Materials dans un article rédigé par Youngsup Song, récemment diplômé du Massachusetts Institute of Technology, Evelyn Wang, professeur d'ingénierie chez Ford, et quatre autres au MIT.

Le processus d'ébullition est généralement un compromis entre le coefficient de transfert de chaleur (HTC) et le flux de chaleur critique (CHF).

Bien que les deux paramètres soient importants, il est difficile d'améliorer les deux paramètres ensemble car ils ont des compromis intrinsèques. Song explique que la raison en est que s'il y a beaucoup de bulles sur la surface d'ébullition, l'ébullition est très efficace, mais s'il y a trop de bulles sur la surface, elles peuvent fusionner, ce qui peut former un film de vapeur sur la surface d'ébullition. Ce film introduit une résistance au transfert de chaleur de la surface chaude et abaisse la valeur CHF.

Aujourd'hui, après des années de travail, l'équipe aurait trouvé un moyen d'améliorer considérablement les deux propriétés en même temps, grâce à la combinaison de différentes textures ajoutées à la surface d'un matériau.

Song, qui est maintenant postdoctorant au Lawrence Berkeley National Laboratory, a effectué une grande partie de la recherche dans le cadre de sa thèse de doctorat au MIT. Alors que les différents composants du nouveau traitement de surface qu'il a développé avaient déjà été étudiés, les chercheurs affirment que ce travail est le premier à montrer que ces méthodes pourraient être combinées pour surmonter le compromis entre les deux paramètres concurrents.

L'ajout d'une série de cavités microscopiques, ou bosses, à une surface est un moyen de contrôler la façon dont les bulles se forment sur cette surface, en les maintenant efficacement épinglées aux emplacements des bosses et en les empêchant de se propager dans un film résistant à la chaleur.

Les chercheurs ont créé un réseau de bosses de 10 μm de large séparées d'environ 2 mm pour empêcher la formation de film. Cependant, cette séparation réduit également la concentration de bulles à la surface, ce qui peut réduire l'efficacité d'ébullition. Pour compenser cela, l'équipe a introduit un traitement de surface à beaucoup plus petite échelle, créant de minuscules bosses et crêtes à l'échelle nanométrique, ce qui augmente la surface et favorise le taux d'évaporation sous les bulles.

Dans ces expériences, les cavités ont été réalisées au centre d'une série de piliers à la surface du matériau. Ces piliers, combinés à des nanostructures, favorisent l'évacuation du liquide de la base vers leurs sommets, ce qui améliore le processus d'ébullition en offrant une plus grande surface exposée à l'eau. En combinaison, les trois "niveaux" de la texture de surface - la séparation de la cavité, les poteaux et la texturation à l'échelle nanométrique - offrent une efficacité grandement améliorée pour le processus d'ébullition, explique Song.

Bien que leur travail ait confirmé que la combinaison de ces types de traitements de surface peut fonctionner et obtenir les effets souhaités, ce travail a été effectué dans des conditions de laboratoire à petite échelle qui ne pouvaient pas facilement être étendues à des dispositifs pratiques.

"Montrer que nous pouvons contrôler la surface de cette manière pour obtenir une amélioration est une première étape", déclare Evelyn Wang. "Ensuite, la prochaine étape consiste à réfléchir à des approches plus évolutives."

Par exemple, bien que les piliers à la surface de ces expériences aient été créés à l'aide de méthodes de salle blanche couramment utilisées pour produire des puces semi-conductrices, il existerait d'autres moyens moins exigeants de créer de telles structures, comme l'électrodéposition. Il existe également un certain nombre de façons différentes de produire les textures de nanostructure de surface, dont certaines peuvent être plus facilement évolutives.

L'équipe comprenait également Carlos Diaz-Martin, Lenan Zhang, Hyeongyun Cha et Yajing Zhao, tous au MIT. Les travaux ont été soutenus par l'Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), l'Air Force Office of Scientific Research et l'Alliance Singapour-MIT pour la recherche et la technologie, et ont utilisé les installations MIT.nano.