Stabilité et convection naturelle du nanofluide TiO₂-eau dans des enceintes tournées : résultats expérimentaux

Résumé

Cette étude examine la stabilité et les performances de transfert de chaleur par convection naturelle d'un nanofluide TiO₂-eau dans des enceintes carrées tournées à –45°, 0°, 45° et 90°. La stabilité a été optimisée en ajoutant 6 % en masse de dispersant à pH 8, ce qui a donné la plus faible transmittance et la meilleure dispersion. Les expériences ont fait varier le chargement en nanoparticules (0,1–0,5 % en masse) et la puissance de chauffe (1–20 W). L'orientation à 0° a produit les nombres de Nusselt les plus élevés, suivie par 45° et 90°, tandis que –45° a donné les plus faibles. Le transfert de chaleur augmente avec le chargement en particules et la puissance, bien que l'amélioration relative diminue aux puissances plus élevées en raison des effets de viscosité.

Contexte

Les nanofluides offrent une conductivité thermique supérieure, ce qui les rend attractifs pour les applications de transfert de chaleur, en particulier la convection naturelle. De nombreuses études numériques ont exploré les systèmes Al₂O₃-eau, CuO-eau et TiO₂-eau, mais les données expérimentales sur les enceintes tournées restent rares. Ce travail comble cette lacune en fournissant des preuves empiriques sur l'influence de la rotation sur la convection dans les nanofluides TiO₂-eau.

Méthodologie

Préparation et évaluation de la stabilité

Des nanoparticules de TiO₂ (≈10 nm, morphologie plate) ont été dispersées dans de l'eau déionisée selon un procédé en deux étapes : agitation mécanique (30 min) suivie de 40 min de sonication. Le dosage de dispersant (6 % en masse) et l'ajustement du pH à 8 ont produit la suspension la plus stable, confirmée par une sédimentation minime après 72 h et un minimum de transmittance de τ ≈ 0,2. La distribution de la taille des particules a été vérifiée par MEB, MET et DRX, avec une taille de cristallite dérivée de Scherrer de 6–9 nm.

Appareil expérimental

Trois enceintes rectangulaires (L × H : 10×20 cm, 5×20 cm, 20×20 cm) ont été construites en cuivre, avec une paroi gauche chauffée (feuille de silicone) et une paroi droite refroidie (bain d'eau). Six thermocouples mesuraient les températures des parois, et les pertes de chaleur étaient quantifiées par un débitmètre. Le dispositif permettait la rotation de l'enceinte par rapport à la gravité pour évaluer quatre angles : –45°, 0°, 45°, 90°.

Traitement des données

Équations clés :

• Puissance d'entrée : Q = UI
• Puissance nette : Qₙₑₜ = Q – Qₗₒₛₛ
• Température moyenne côté chaud : Tₕ* = (T₁+…+T₆)/6
• Température effective côté chaud : Tₕ = Tₕ* – Qₙₑₜ·δ/(A·λ_w)
• Coefficient de convection : h = Qₙₑₜ/[A(Tₕ–T₍C₎)]
• Nombre de Nusselt : Nu = h·W/λ_f

L'analyse d'incertitude a donné 5,65 % pour h et 6,34 % pour Nu, confirmant la fiabilité expérimentale.

Résultats et discussion

Validation

Les nombres de Nusselt mesurés pour l'eau pure correspondaient à la littérature avec une erreur <9 % pour les rapports d'aspect A = 1:2, 1:4, 1:1, confirmant l'exactitude du système.

Rapport d'aspect A = 1:2

Nu augmente avec l'angle de rotation jusqu'à 0°, puis diminue à 45° et 90°. Le cas –45° montre le Nu le plus faible en raison d'un flux de flottabilité restreint. Le chargement en particules de 0,1 à 0,5 % en masse augmente Nu jusqu'à 29 % à 1 W, mais le gain relatif diminue à 20 W à cause de la viscosité croissante. L'augmentation de la puissance de chauffe de 1 à 20 W amplifie Nu jusqu'à 581 % (0,5 % en masse, 0°).

Rapport d'aspect A = 1:4

Tendances similaires à A = 1:2, mais les valeurs absolues de Nu sont plus faibles. Les ratios d'amélioration pour 0,5 % en masse à 0° varient de 6,5 % (1 W) à 20,7 % (5 W). Les gains de transfert de chaleur de 1 à 20 W atteignent 242–702 %.

Comparaison des rapports d'aspect

Nu augmente avec le rapport d'aspect : A = 1:1 > A = 1:2 > A = 1:4. Le nanofluide à 0,5 % en masse atteint jusqu'à 701 % de Nu supérieur à l'eau dans la meilleure configuration (A = 1:1, 0°, 20 W). L'amélioration de 0,1 à 0,3 % en masse est plus prononcée que de 0,3 à 0,5 %, reflétant l'équilibre entre conductivité et viscosité.

Conclusions

1. La stabilité est maximisée avec 6 % en masse de dispersant à pH 8.
2. L'angle de rotation 0° donne le Nu le plus élevé ; –45° le plus faible.
3. Des rapports d'aspect plus élevés améliorent nettement le transfert de chaleur (jusqu'à 224 % d'amélioration).
4. Nu augmente avec le chargement en particules mais le bénéfice relatif diminue à haute puissance.
5. Dans l'ensemble, Nu peut être augmenté jusqu'à 701 % par rapport à l'eau pure.