Optimisation des performances thermiques des échangeurs diphasiques par contrôle de la topographie et de la chimie de surface – NUCLEI

L’intensification des échanges thermiques par ébullition nécessite préalablement de comprendre l’influence de la topographie et de la chimie des surfaces sur le phénomène d’ébullition nucléée et en premier lieu sur la nucléation. Les études expérimentales les plus récentes montrent que la nature et la structure des surfaces à l’échelle submicronique jouent un rôle fondamental sur la naissance des bulles. Elles ne permettent cependant pas d’en expliquer les raisons. En effet, la topographie et la chimie des surfaces ne sont en général ni contrôlées ni découplées dans ces expériences. Dans ce projet, des procédés de nano-fabrication développés dans le domaine de l’optique sont utilisés afin de contrôler le plus précisément possible la topographie à l’échelle sub-micronique. Des procédés de dépôt de couches minces permettent de changer la chimie de la surface sans modifier sa topographie. Enfin l’influence croisée de chacun de ces paramètres sera étudiée expérimentalement.
Le nucléus à l’origine de la formation d’une bulle n’a jamais été observé expérimentalement car sa taille dépasse la capacité des moyens de mesure traditionnels. Il est pourtant à la base de la plupart des modèles théoriques. Le projet NUCLEI a également pour but de mettre en œuvre une méthode de mesure optique très fine permettant de détecter sa présence et ainsi apporter une information primordiale à la compréhension des mécanismes de nucléation.

Le banc d’essais en conditions ambiantes est opérationnel depuis février 2014. Il comporte une enceinte étanche en verre à double enveloppe pour permettre d’imposer la température de saturation dans le système. Une résistance plate associée à un fluxmètre permet de déterminer avec précision le flux de chaleur transmis à l’échantillon. Une première série de tests a été effectuée à l’aide d’échantillons ayant différents niveaux de rugosité et sous différentes pressions. Les résultats obtenus sont cohérents et montrent que le banc d’essai répond au cahier des charges. Le banc d’essais en conditions cryogéniques est presque opérationnel. L’ensemble du bloc de chauffage est réalisé et instrumenté. Il doit désormais être intégré dans la cuve cryogénique. Les deux bancs sont prêts pour l’étude du phénomène d’ébullition sur surfaces améliorées.
La réalisation des surfaces améliorées a démarré. L’échantillon de base, en aluminium standard, est poli jusqu’à une rugosité de l’ordre de 10 nm. Il est ensuite recouvert d’une couche de 300 nm d’aluminium pure. Une procédure de photolithographie a été mise au point et permet actuellement de créer des réseaux assez réguliers de 1 µm de période avec une profondeur de 100 nm. Il est à noter que cette procédure est particulièrement délicate du fait des réflexions intenses sur ce type de revêtement. Une procédure de dépôt d’une couche de 300 nm d’aluminium pur à 99,5 % sur revêtement Au4G a été mise en œuvre sans décapage ionique, ce qui évite de générer une rugosité supplémentaire sur les échantillons. Le dépôt réalisé est bien stable, même après passage dans un bain d’ultrasons, ce qui valide la méthode.

Dans les mois qui viennent, des essais vont être menés sur les bancs en conditions ambiante et cryogénique avec des échantillons de revêtement chimique variable et de topographie contrôlée.
En parallèle de ces essais, le CETHIL et LHC travailleront sur la mise en œuvre de la méthode optique pour l’observation du nucléus de vapeur à l’origine d’une bulle. Air liquide poursuivra les simulations numériques aux échelles nano et méso-scopiques afin de compléter l’analyse des résultats expérimentaux obtenus.

Communications prévues à :
Boiling and Condensation, Boulder, USA, avril 2015
Journées du GdR 3543 Syredossi, Lyon, France, juin 2015

La séparation cryogénique de l'air s'effectue à des températures très basses, fonctions de la température d'ébullition de chacun des constituants. Ce procédé est extrêmement consommateur en énergie, particulièrement en énergie électrique. Ainsi, Air liquide est le troisième consommateur d'électricité en France après la SNCF et Arcelor Mittal. De ce fait, une amélioration, même faible, de l'efficacité énergétique des systèmes de compression ou d'échange de chaleur a pour conséquence une réduction très importante des coûts de production liés à la consommation d'énergie. Le projet NUCLEI a pour objectif de créer des rebouilleurs innovants qui permettront de réduire considérablement la consommation d’énergie liée à ces systèmes.

De nombreuses applications industrielles utilisent le phénomène d’ébullition nucléée pour transférer de grandes quantités de chaleur avec des écarts de température acceptables. L’optimisation énergétique de ces systèmes nécessite d’intensifier les échanges thermiques par ébullition. De nombreuses études ont montré que la modification de la topographie des surfaces à l’échelle millimétrique ou micrométrique permet d’intensifier considérablement ces échanges. Cependant, ces études ne permettent pas de comprendre les mécanismes fondamentaux responsables de cette modification, notamment les phénomènes à l’origine de la naissance ou de la croissance d’une bulle, ce qui limite leur portée.

Plusieurs travaux récents montrent que la nature et la structure des surfaces à l’échelle sub-micronique ont une importance capitale sur les transferts de chaleur par ébullition car ils modifient la structure interfaciale et le comportement des molécules de fluide en contact direct avec la surface solide. Le projet NUCLEI a pour but de créer une rupture dans la compréhension des mécanismes fondamentaux de l’ébullition, à travers des études expérimentales et théoriques, menées à l’échelle sub-micronique, afin de pouvoir concevoir et créer des échangeurs ayant des caractéristiques thermiques optimisées et ainsi réduire la consommation d’énergie liée à leur utilisation. Des surfaces de topographie et de chimie contrôlées seront créées pour étudier l’influence respective de chacun de ces paramètres, en particulier sur la naissance d’une bulle. Par ailleurs, le projet a pour ambition l’observation expérimentale de la formation des nuclei, qui sont les premiers germes de vapeur à l’origine de la naissance d’une bulle. Une telle mesure n’a jamais été obtenue jusqu’à présent, alors qu’elle est fondamentale pour comprendre le phénomène de l’ébullition nucléée.