Surfaces biomimétiques anti-glace pour générateurs éco-efficients de coulis de glace – COOLISSE

Pour atteindre ces objectifs scientifiques, le projet COOLISSE est divisé en deux parties principales, l'une consacrée à la fabrication de surfaces et l'autre à leur caractérisation. Dans ce projet, des approches à la fois expérimentales et numériques seront utilisées pour concevoir rationnellement des surfaces ayant des propriétés antigivrantes. En ce qui concerne la partie fabrication, les principaux paramètres étudiés seront : (i) la micro et nano-structuration de la surface, (ii) les propriétés de la chimie de surface et (iii) celles de l'huile d'imprégnation pour la maintenir en place, un paramètre crucial pour la durabilité de la surface.
Sur la base de l'expertise de FRISE et du DVRC, et en ce qui concerne la caractérisation, des installations et des méthodes seront développées pour étudier en détail : (i) la formation de gouttelettes/nucléation de cristaux de glace en fonction des caractéristiques de la surface, (ii) le suivi de la cristallisation des gouttelettes (cinétique de formation liée à la topographie), (iii) la dynamique du transfert de chaleur, la mesure de l'adhérence de la glace sur la surface et enfin (iv) la conception d'un dispositif pour étudier l'influence de l'écoulement dans un environnement refroidi. Il est également proposé d'étudier l'influence de la génération de cristaux sur le transfert de chaleur ainsi que l'introduction d'une modification locale périodique de la surface, telle qu'une succession de zones alternativement mouillantes et non mouillantes, capable de générer une recirculation locale. Ensuite, une méthode numérique globale sera développée pour décrire l'état d'équilibre thermique, le flux de chaleur et les changements de l'interface gaz-liquide-solide dans des conditions statiques et dynamiques. Notre objectif principal est donc d'étudier systématiquement le mécanisme d'action de la surface sur l'antigivrage, pendant la congélation et le changement de phase.

Le projet COOLISSE pourrait conduire à des percées scientifiques dans des domaines scientifiques où les interactions entre les liquides et les surfaces à basse température sont concernées (applications alimentaires autres que la génération de boues, aviation, aérospatiale, ...) mais aussi entre deux surfaces (telles que le frottement solide/solide). Par exemple, la technologie de surface développée peut avoir de nombreuses applications pour les surfaces dans des conditions de givrage, comme dans les échangeurs de chaleur ou le givrage des avions. Les échangeurs de chaleur (HX) à surface non givrée sont d'une importance majeure, car la couche de glace constitue une barrière au transfert de chaleur, ce qui réduit l'efficacité globale de l'HX. De plus, de l'énergie électrique (effet joule) est nécessaire pour dégivrer régulièrement les HX ou la surface refroidie (avions). Limiter le givrage aura donc un impact important sur la consommation globale d'énergie pour la réfrigération.

Le projet COOLISSE est directement lié à des enjeux environnementaux forts : un générateur de coulis de glace efficace permettra d'accroître le développement de la réfrigération secondaire. Cette technique a un impact significatif sur l'environnement en réduisant le réfrigérant d'un facteur 10, ce qui est conforme à la réglementation sur les gaz fluorés. L'utilisation de matériaux à changement de phase (glace PCM) est très efficace lorsqu'elle est combinée à un stockage thermique. Elle est donc adaptée aux énergies renouvelables (solaire et éolienne) en raison de sa capacité à stocker l'énergie lorsqu'elle est disponible et à la restituer en période de pointe. La puissance globale de l'installation peut ainsi être réduite, et lorsque le stockage fonctionne la nuit, l'efficacité du système est plus élevée en raison de la température plus basse de l'air. Cette technologie est donc adaptée pour faire face aux vagues de chaleur récurrentes. Par ailleurs, ces innovations doivent être menées de manière à réduire l'impact de ces nouveaux matériaux sur l'environnement tout au long de leur cycle de vie (conception/fabrication/utilisation), conformément aux principes de l'économie circulaire.
Les conséquences économiques directes sont un gain en termes de coûts de maintenance et d'énergie liés aux mouvements mécaniques (scrapper free). Indirectement, cela favorisera également la mise en œuvre de cette technologie de réfrigération secondaire qui, étant très efficace, deviendra alors compétitive. On peut envisager que cette technologie et ses conditions d'exploitation soient sous-traitées à un acteur de la réfrigération. Après une courte formation, les techniciens frigoristes seront opérationnels.
Du point de vue de l'impact social, la communication autour de notre projet et de ses résultats conduira à une prise de conscience de l'impact environnemental de la réfrigération auprès du public que nous ciblerons. D'un point de vue académique, si tous les partenaires sont d'accord, et après que tous les résultats brevetables aient été protégés, les résultats seront publiés. La publication des résultats de la recherche est essentielle : une publication rapide dans des revues de premier plan garantit l'utilisation et l'application des résultats au sein de la communauté scientifique, de l'industrie (par le biais des «pôles de compétitivité Euramaterials et CIMES«) et du public.

Non concerné à ce jour

La réfrigération secondaire est un moyen efficace de réduire fortement la quantité de fluide frigorifique primaire utilisée. Cette méthode améliore l'efficacité énergétique via le stockage et le transport de fluides secondaires à forte densité énergétique. Ces coulis de glace, composés de cristaux de glace suspendus dans une solution aqueuse, ne sont malheureusement pas encore répandus en raison du surinvestissement lié aux générateurs de type surface raclée. Dans ce cadre, le projet COOLISSE, consiste à participer à l’optimisation énergétique du secteur de la réfrigération en concevant de nouveaux types de générateurs de coulis de glace. Il s’agit de développer des surfaces en acier inoxydable où la glace formée sera emportée par l'écoulement du fluide, sans nécessiter de raclage mécanique. Ces surfaces biomimétiques micro/nanostructurées non mouillantes, dotées de propriétés antigivre, seront obtenues par une combinaison originale d’un procédé de fabrication additive (production de microstructures) et d’ablation laser femtoseconde (rugosité nanométrique), qui amèneront à une surface en acier inoxydable texturée multi-échelles. Ces surfaces seront imprégnées par un liquide inerte afin d'obtenir une surface infusée glissante (SLIPS). Le second objectif du projet est de développer des méthodes et une expertise sur la caractérisation de ces surfaces sous écoulement à basse température. Le potentiel de ces surfaces anti-givre sera étudié au travers de leurs actions sur la formation de glace, en analysant le temps de congélation, la force d'adhésion et la nucléation en cours de congélation. En parallèle, un modèle numérique sera développé pour décrire l'état d'équilibre thermique, le flux de chaleur et les changements d'interface gaz-solide-liquide pendant la congélation et le changement de phase. L'impact environnemental et le gain potentiel des nouvelles surfaces sur le processus de fabrication de coulis seront également étudiés par une analyse de leur cycle de vie.