Des chercheurs de l'Université Tsinghua et de l'Université Brown ont découvert un moyen simple de donner une impulsion majeure à l'échange de chaleur turbulent, un procédé de transport de chaleur largement utilisé en chauffage, systèmes de ventilation et de climatisation (CVC).

Dans un article publié en Communication Nature , les chercheurs montrent que l'ajout d'un solvant organique facilement disponible aux systèmes d'échange de chaleur turbulents à base d'eau courants peut augmenter leur capacité à déplacer la chaleur de 500 %. C'est bien mieux que d'autres méthodes visant à augmenter le transfert de chaleur, disent les chercheurs.

« D'autres méthodes pour augmenter le flux de chaleur - additifs de nanoparticules ou autres techniques - ont obtenu au mieux une amélioration d'environ 50 %, " dit Varghese Mathai, chercheur postdoctoral à Brown et co-premier auteur de l'étude, qui a travaillé avec Chao Sun, un professeur à Tsinghua qui a conçu l'idée. "Ce que nous obtenons ici, c'est 10 fois plus d'améliorations que les autres méthodes, ce qui est vraiment très excitant."

Les échangeurs de chaleur turbulents sont des appareils assez simples qui utilisent les mouvements naturels du liquide pour déplacer la chaleur. Ils sont constitués d'une surface chaude, une surface froide et un réservoir de liquide entre les deux. Près de la surface chaude, le liquide chauffe, devient moins dense et forme des panaches chauds qui s'élèvent vers le côté froid. Là, le liquide perd sa chaleur, devient plus dense et forme des panaches froids qui redescendent vers le côté chaud. Le cycle de l'eau sert à réguler les températures de chaque surface. Ce type d'échange de chaleur est un élément de base des systèmes CVC modernes largement utilisés dans les appareils de chauffage domestique et les unités de climatisation, disent les chercheurs.

En 2015, Sun a eu l'idée d'utiliser un composant organique connu sous le nom d'hydrofluoroéther ou HFE pour accélérer le cycle de chaleur à l'intérieur de ce type d'échangeur. Le HFE est parfois utilisé comme seul fluide dans les échangeurs de chaleur, mais Sun soupçonnait qu'il pourrait avoir des propriétés plus intéressantes en tant qu'additif dans les systèmes à base d'eau. En collaboration avec le co-premier auteur de l'étude, Ziqi Wang, Mathai et Sun ont expérimenté l'ajout de petites quantités de HFE et, après trois ans de travail, ont pu maximiser son efficacité pour accélérer l'échange de chaleur. L'équipe a montré que des concentrations d'environ 1 % de HFE créaient des améliorations spectaculaires du flux de chaleur jusqu'à 500 %.

En utilisant des techniques d'imagerie à haute vitesse et de diagnostic laser, les chercheurs ont pu montrer comment fonctionne l'amélioration HFE. A proximité du côté chaud de l'échangeur, les globules de HFE bouillent rapidement, formant des bulles biphasiques de vapeur et de liquide qui montent rapidement vers la plaque froide au-dessus. A l'assiette froide, les bulles perdent leur chaleur et descendent sous forme liquide. Les bulles affectent le flux de chaleur global de deux manières, les chercheurs ont montré. Les bulles elles-mêmes évacuent une quantité importante de chaleur du côté chaud, mais ils augmentent également la vitesse de montée et de descente des panaches d'eau environnants.

"Cela agite essentiellement le système et accélère le déplacement des panaches, " dit Sun. "Combinée à la chaleur que les bulles elles-mêmes transportent, nous obtenons une amélioration spectaculaire du transfert de chaleur."

Cette action d'agitation pourrait également avoir d'autres applications, disent les chercheurs. Cela pourrait être utile dans les systèmes conçus pour mélanger deux liquides ou plus. L'agitation supplémentaire permet un mélange plus rapide et plus complet.

Les chercheurs ont souligné que l'additif spécifique qu'ils ont utilisé, le HFE7000, n'est pas corrosif, ininflammable et respectueux de l'ozone. Une limitation est que l'approche ne fonctionne que sur les systèmes d'échange de chaleur verticaux, ceux qui déplacent la chaleur d'une plaque inférieure à une plaque supérieure. Il ne fonctionne pas actuellement sur les systèmes côte à côte, bien que les chercheurs envisagent des moyens d'adapter la technique. Toujours, les échangeurs verticaux sont largement utilisés, et cette étude a montré un moyen simple de les améliorer considérablement.

"Cette approche biphasique génère une très forte augmentation du flux de chaleur avec des modifications minimales des systèmes de chauffage et de refroidissement existants, " a déclaré Mathai. " Nous pensons que cela est très prometteur pour révolutionner l'échange de chaleur dans le CVC et d'autres applications à grande échelle. "