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Quand vient le temps d’économiser l’énergie produite par les centrales électriques pour limiter le gaspillage, il existe plusieurs façons d’y parvenir; l’une d’elles est d’utiliser des appareils électroménagers plus efficaces. C’est dans ce but que des chercheurs du MIT ont mis au point, un nouveau traitement de surface.

Un nouveau traitement pour améliorer la réfrigération

Contrairement à l’eau, les réfrigérants liquides et autres fluides à faible tension superficielle ont tendance à se répandre rapidement lorsqu’ils entrent en contact avec une surface. Mais pour de nombreux procédés industriels, il serait préférable que ces fluides forment des gouttelettes, qui pourraient rouler ou tomber de la surface et emporter la chaleur avec elles.
À présent, des chercheurs du MIT ont réalisé des progrès significatifs dans la formation et la perte de gouttelettes dans ces fluides. Cette approche pourrait améliorer l’efficacité de nombreux procédés industriels à grande échelle, notamment la réfrigération, permettant ainsi d’économiser de l’énergie et de réduire les émissions de gaz à effet de serre.
Cette nouvelle découverte est décrite dans le journal Joule, dans un article de Karim Khalil, étudiant en troisième cycle, professeur de génie mécanique à Kripa Varanasi, professeur en génie chimique, Karen Gleason, et quatre autres.
Au fil des ans, Varanasi et ses collaborateurs ont beaucoup progressé dans l’amélioration de l’efficacité des systèmes de condensation utilisant de l’eau, tels que les systèmes de refroidissement utilisés pour la production d’énergies fossiles ou nucléaires.
Mais avec d’autres types de fluides – tels que ceux utilisés dans les systèmes de réfrigération, de liquéfaction, de récupération de chaleur et les installations de distillation, ou des matériaux tels que le méthane dans les usines de liquéfaction de pétrole et de gaz – ont souvent une tension superficielle très basse ce qui très difficile de les amener à former des gouttelettes sur une surface. Au lieu de cela, ils ont tendance à s’étaler dans une feuille, une propriété connue sous le nom de mouillage.

Un film devient une barrière au transfert de chaleur

Mais lorsque ces feuilles de liquide recouvrent une surface, elles fournissent une couche isolante qui empêche le transfert de chaleur. Un transfert de chaleur qui est essentiel pour que ces processus fonctionnent efficacement. «Si cela forme un film, cela devient une barrière au transfert de chaleur», explique Varanasi.
Mais ce transfert de chaleur est renforcé lorsque le liquide forme rapidement des gouttelettes, qui se fusionnent puis grandissent et tombent sous l’effet de la gravité. Obtenir des liquides à faible tension superficielle pour former des gouttelettes et les éliminer facilement constitue un défi de taille.
Dans les systèmes à condensation utilisant de l’eau, l’efficacité globale du processus peut être d’environ 40%, mais avec des fluides à faible tension superficielle, l’efficacité peut être limitée à environ 20%. Comme ces procédés sont très répandus dans l’industrie, une amélioration même infime de cette efficacité pourrait permettre de réaliser des économies considérables en énergie, et donc en émissions de gaz à effet de serre, explique Varanasi.
Contrairement aux traitements de surface que Varanasi et son équipe ont développés pour d’autres types de fluides, qui reposent sur un matériau liquide maintenu en place par une texture de surface, ils ont pu obtenir l’effet de répulsion des fluides à l’aide d’un revêtement solide très fin – moins d’un micron d’épaisseur. Cette minceur est importante pour éviter que le revêtement lui-même ne bloque le transfert de chaleur, explique Khalil.

Un revêtement constitué d’un polymère 

Ce revêtement, constitué d’un polymère spécialement formulé, est déposé sur la surface à l’aide d’un procédé appelé dépôt chimique en phase vapeur initié (iCVD), dans lequel le matériau de revêtement est vaporisé et greffé sur la surface à traiter, tel qu’un tuyau métallique, pour former un mince revêtement. Ce procédé a été développé au MIT par Gleason et est maintenant largement utilisé.
Les chercheurs ont optimisé le procédé iCVD en adaptant le greffage de molécules de revêtement sur la surface, afin de minimiser l’accrochage des gouttelettes de condensation et de faciliter leur élimination. Ce processus pourrait être effectué dans des équipements à l’échelle industrielle et pourrait être intégré dans des installations qui existent actuellement pour améliorer leur efficacité.
Selon Khalil, ce processus peut être appliqué sur des surfaces planes ou des tubes en acier inoxydable, en cuivre, en titane ou d’autres métaux couramment utilisés dans les processus de transfert de chaleur par évaporation impliquant ces fluides à faible tension superficielle.
Selon Varanasi, de tels revêtements pourraient jouer un rôle très important dans les systèmes organiques à cycle de Rankine, qui sont largement utilisés pour générer de l’énergie à partir de la chaleur perdue dans divers procédés industriels. “Ce sont des systèmes intrinsèquement inefficaces”, dit-il, “mais cela pourrait les rendre plus efficaces”.

Une approche qui favorise la formation de gouttes 

«Cette nouvelle approche de la condensation est importante car elle favorise la formation de gouttes (plutôt que de film), même pour les fluides à faible tension superficielle, ce qui améliore considérablement l’efficacité du transfert de chaleur», déclare Jonathan Boreyko, professeur assistant en génie mécanique à Virginia Tech, qui n’était pas impliqué dans cette recherche.
Bien que le procédé iCVD ne soit pas nouveau, il montre qu’ici qu’il peut être utilisé même pour la condensation de fluides à faible tension superficielle qui revêt une importance pratique non négligeable, car de nombreux systèmes à changement de phase réels n’utilisent pas d’eau.
Boreyko ajoute que «montrer pour la première fois qu’un revêtement mince, durable et sec peut favoriser la condensation de gouttes via des fluides à faible tension superficielle est très important pour une grande variété de systèmes de condenseur. »
Source : MIT
Crédit photo : Pixabay

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