Transfert de chaleur et amélioration d'écoulement de nanofluides TiO₂-eau dans tubes à rainures hélicoïdales vs lisses

Résumé

Cette étude examine expérimentalement la performance d'écoulement et de transfert de chaleur de nanofluides TiO₂-eau avec fractions massiques de nanoparticules variables dans des tubes en acier inoxydable à rainures hélicoïdales et lisses sur une large gamme de nombres de Reynolds. La stabilité est évaluée par une nouvelle méthode de transmittance avec un spectrophotomètre ultraviolet, révélant une dispersion optimale à 6 % massique de dispersant et pH 8. Les résultats montrent que les tubes à rainures hélicoïdales offrent un boost de transfert de chaleur supérieur (jusqu'à 257,9 % par rapport aux tubes lisses) n'entraînant que des pertes de friction modestes. L'écoulement turbulent dans le tube rainuré donne le plus grand rapport amélioration thermique-friction. Un indice de performance complet, ξ, atteint son maximum à Re ≈ 2300 pour le tube rainuré, alors qu'il augmente continuellement avec Re pour le tube lisse. Ces résultats fournissent des directives claires pour la sélection de la géométrie de tube et des conditions d'opération dans les échangeurs de chaleur à base de nanofluides.

Contexte

Les nanofluides — suspensions de nanoparticules dans un fluide de base — offrent des capacités de transfert de chaleur remarquables, permettant des avancées dans les systèmes thermiques solaires, la désalinisation, et le refroidissement électronique. Bien que de nombreuses études aient examiné des tubes lisses ou corrugés, les comparaisons complètes entre géométries à rainures hélicoïdales et lisses restent rares. Ce travail comble cette lacune en combinant des mesures expérimentales avec une nouvelle technique d'évaluation de stabilité et une métrique de performance holistique.

Méthodes

Préparation des Nanofluides et Évaluation de Stabilité

Les nanoparticules TiO₂ (20-100 nm) ont été dispersées dans l'eau déionisée via une méthode en deux étapes : 30 min d'agitation mécanique suivie de 40 min de sonication. Un dispersant de 6 % massique (PAA) et pH 8 ont été utilisés pour tous les échantillons. La stabilité a été évaluée par le test de précipitation conventionnel et une méthode de transmittance quantitative ; cette dernière a démontré que les échantillons avec 0,1, 0,3, et 0,5 % massique TiO₂ maintiennent une excellente stabilité sur 72 h.

Configuration Expérimentale

Le banc d'essai comprenait un tube en acier inoxydable de 1,2 m de long (diamètre équivalent 0,01 m) avec une section de mesure centrale de 1 m. Une alimentation DC chauffait le tube ; 10 thermocouples type T mesuraient la température de paroi, tandis que des sondes type K capturaient les températures d'entrée et de sortie du fluide. La chute de pression était enregistrée avec un transducteur de pression différentielle. Les débits étaient contrôlés par une pompe de précision.

Équations Clés

• Apport de chaleur : Q₀ = U I
• Charge thermique du fluide : Q_f = c_p ṁ (T_sortie – T_entrée)
• Chaleur spécifique effective et densité calculées via règles de mélange (équations 3 et 10).
• Nombre de Reynolds : Re = ρ u d_e / μ_f
• Coefficient convectif : h_f = Q_f / (π d_e l (T_paroi – T_fluide))
• Nombre de Nusselt : Nu = h_f d_e / λ_f
• Facteur de friction : f = 2 d_e / (ρ u²) (Δp/Δl)
• Indice de performance complet : ξ = (Nu/Nu_bf) / (f/f_bf)^(1/3)

Résultats et Discussion

Validation du Système

Les comparaisons avec la littérature pour l'eau confirment que les nombres de Nusselt et les facteurs de friction correspondent aux données publiées dans ±3,5 % à travers les régimes laminaire et turbulent, validant le dispositif expérimental.

Performance Tube Lisse

L'augmentation du chargement TiO₂ élève le nombre de Nusselt de 11,2 % (0,5 % massique) à 16,1 % (0,5 % massique) en écoulement turbulent. Les facteurs de friction augmentent modestement (≤ 8 % en laminaire, ≤ 3 % en turbulent). La conductivité thermique augmente de 0,17-1,6 % tandis que la viscosité augmente de 2,5-13,6 %, la première dominant le transfert de chaleur en écoulement laminaire et la seconde devenant plus significative à nombres de Reynolds plus élevés.

Performance Tube à Rainures Hélicoïdales

La géométrie rainurée amplifie le bénéfice du TiO₂ : les nombres de Nusselt s'améliorent jusqu'à 42,8 % (0,5 % massique) en écoulement turbulent, surpassant le tube lisse de 240-260 %. Les facteurs de friction augmentent plus notablement (≈ 20 % laminaire, ≈ 10 % turbulent) en raison de la structure en vis, pourtant l'indice de performance net ξ atteint son maximum à Re ≈ 2300, où les gains de transfert de chaleur l'emportent sur les pénalités de friction.

Évaluation Complète

La métrique ξ révèle que le tube à rainures hélicoïdales délivre sa performance la plus élevée près de la transition laminaire-turbulent, tandis que le tube lisse bénéficie de nombres de Reynolds progressivement plus élevés. Cet insight informe la sélection optimale de tube et les conditions d'opération pour les échangeurs de chaleur à nanofluides.

Conclusions

1. Nanofluides TiO₂-eau stables sont obtenus avec 6 % massique dispersant et pH 8 ; les mesures de transmittance confirment la qualité de dispersion.
2. Dans les tubes à rainures hélicoïdales, l'écoulement turbulent donne la plus grande amélioration de transfert de chaleur avec des augmentations de friction comparativement plus faibles.
3. Les tubes rainurés fournissent un boost de transfert de chaleur excédant 250 % par rapport aux tubes lisses pour un chargement TiO₂ de 0,5 % massique.
4. La performance complète optimale dans les tubes rainurés se produit à Re ≈ 2300 ; pour les tubes lisses, la performance s'améliore continuellement avec des nombres de Reynolds plus élevés.