Des bulles 10 fois plus petites pour un meilleur transfert de chaleur

Des bulles 10 fois plus petites pour un meilleur transfert de chaleur

Une équipe de chercheurs a réussi à améliorer l’efficacité du transfert de chaleur par ébullition en utilisant des bulles bondissantes, jetant les bases à des applications potentielles dans les centres de données et les centrales nucléaires.

Une nouvelle approche du transfert de chaleur par ébullition

Jonathan Boreyko, professeur associé et John R. Jones III Faculty Fellow en génie mécanique de Virginia Tech, travaille avec son équipe sur l’amélioration de l’efficacité énergétique et des coûts du transfert de chaleur à base d’eau. Leur recherche se concentre sur les phénomènes dynamiques de l’eau et ses différentes phases, notamment les gouttelettes d’eau propulsées par la tension superficielle et la glace sautante grâce à l’électrostatique.

Leur dernière étude explore une troisième phase avec l’ébullition de l’eau. Hyunggon Park, étudiant diplômé, a créé un micro-chaudron capable de libérer des bulles d’un dixième de la taille habituelle, permettant un transfert de chaleur plus efficace.

Deux scénarios différents de départ de bulles pendant l’ébullition d’une piscine. a) Des bulles isolées se détachent par flottabilité à des tailles millimétriques. b) En utilisant une surface microstructurée pour favoriser des événements de coalescence précoces, nous montrons que la capillarité permet le départ de micro-bulles.

Amélioration du principe de l’ébullition

L’ébullition est le moyen le plus efficace de transférer continuellement de la chaleur à travers l’eau. Les bulles emportent l’énergie, telles des voitures sphériques transportant des passagers thermiques. La méthode développée par les scientifiques améliore ce principe en rendant la flotte de bulles plus petite et plus nombreuse, permettant un départ plus constant des bulles et donc un transfert de chaleur plus rapide.

« Normalement, la flottabilité détache ces bulles de surface lorsqu’elles ont un diamètre de quelques millimètres, leur permettant de s’échapper et d’emporter la chaleur sous forme de vapeur », explique le Professeur Boreyko. « Lors de l’ébullition à des températures plus élevées, ces grosses bulles de surface fusionnent pour former un film de vapeur continu. Ce film isole le liquide de la surface chaude, provoquant une rupture du transfert de chaleur. »

Ingénierie de surface

Le secret de la méthode de l’équipe réside dans les surfaces qu’ils ont créées. En fabriquant un réseau de micro-cavités sur la surface d’ébullition, les bulles se forment et grandissent préférentiellement dans les cavités.

Dispositif expérimental. L’ailette d’aluminium quasi-dimensionnelle a permis une imagerie latérale claire, tandis que les microstructures ont facilité les sites de nucléation des bulles en rangs serrés. Les encarts montrent les micro-rainures de l’ailette et une paire de micro-cavités adjacentes où le pas centre à centre (p) entre les cavités a été modifié.

Les paires de cavités sont placées intentionnellement très près l’une de l’autre, provoquant la coalescence des bulles voisines à des tailles inhabituellement petites. À de telles petites tailles, la force de tension superficielle est très forte, provoquant le saut des bulles loin de la surface lorsqu’elles fusionnent.

Vue latérale en microscopie à grande vitesse des quatre différents modes de coalescence des bulles observés lors de l’ébullition en piscine.

Dans le cas d’un centre de données, une évacuation plus rapide de la chaleur d’une surface pourrait faire la différence entre un fonctionnement normal et des temps d’arrêt coûteux.

Applications potentielles et prochaines étapes

Jonathan Boreyko estime que le phénomène de saut sera plus pratique pour trouver des applications généralisées dans le refroidissement et le transfert de chaleur. Contrairement aux gouttelettes bondissantes, les bulles sautantes préfèrent une surface hydrophile, ce qui permet d’utiliser des métaux non revêtus. Par ailleurs, les micro-cavités nécessaires pour les bulles sautantes sont plus grandes et plus durables que les nanostructures requises pour les gouttelettes sautantes.

Imagerie latérale de la coalescence itérative des bulles et de leur départ des mêmes sites de nucléation. Le temps zéro est défini comme le début de la coalescence pour chaque paire de bulles.

Ce projet approfondit la compréhension de la mécanique des fluides de l’effet de bulle sautante. La prochaine étape consiste à mesurer l’amélioration du transfert de chaleur par ébullition sur une large gamme de températures et de géométries de surface, afin de mieux comprendre le potentiel de l’ébullition améliorée par les sauts.

En synthèse

Les travaux de Jonathan Boreyko et de son équipe ont permis de mettre au point une méthode innovante pour améliorer l’efficacité du transfert de chaleur par ébullition grâce à l’utilisation de bulles sautantes. Cette découverte pourrait avoir des applications importantes dans des domaines tels que les centres de données et les centrales nucléaires, contribuant à une meilleure gestion de l’énergie et à une réduction des coûts.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le transfert de chaleur par ébullition ?

Le transfert de chaleur par ébullition est un processus par lequel la chaleur est transférée à travers l’eau par l’intermédiaire de bulles qui emportent l’énergie.

Qui sont les chercheurs derrière cette étude ?

Jonathan Boreyko, professeur associé et John R. Jones III Faculty Fellow en génie mécanique, et Hyunggon Park, étudiant diplômé, sont les principaux chercheurs derrière cette étude.

Quelle est la principale découverte de cette étude ?

La principale découverte de cette étude est une méthode pour améliorer l’efficacité du transfert de chaleur par ébullition en utilisant des bulles sautantes.

Qu’est-ce qu’une bulle sautante ?

Une bulle sautante est une bulle qui est propulsée loin de la surface de l’eau grâce à la force de la tension superficielle lorsqu’elle fusionne avec une autre bulle.

Quelles sont les applications potentielles de cette découverte ?

Les applications potentielles de cette découverte comprennent l’amélioration de l’efficacité énergétique et la réduction des coûts dans les centres de données et les centrales nucléaires.

Principaux enseignements

Enseignements
Le transfert de chaleur par ébullition peut être amélioré en utilisant des bulles sautantes.
Les bulles sautantes sont propulsées loin de la surface de l’eau grâce à la force de la tension superficielle.
Les bulles sautantes sont créées en fabriquant un réseau de micro-cavités sur la surface d’ébullition.
Les bulles sautantes peuvent être utilisées pour améliorer l’efficacité énergétique et réduire les coûts dans les centres de données et les centrales nucléaires.
Les bulles sautantes préfèrent une surface hydrophile, ce qui permet d’utiliser des métaux non revêtus.
Les micro-cavités nécessaires pour les bulles sautantes sont plus grandes et plus durables que les nanostructures requises pour les gouttelettes sautantes.
La prochaine étape de la recherche est de mesurer l’amélioration du transfert de chaleur par ébullition sur une large gamme de températures et de géométries de surface.
Cette recherche approfondit la compréhension de la mécanique des fluides de l’effet de bulle sautante.
Les bulles sautantes sont plus petites et plus nombreuses, permettant un départ plus constant des bulles et donc un transfert de chaleur plus rapide.
Les bulles sautantes ne sont pas affectées par la formation d’un film de vapeur continu qui peut provoquer une rupture du transfert de chaleur.

Références

Légende illustration principale : Jonathan Boreyko verse de l’eau dans la chaudière créée par son équipe pour faire des bulles qui sautent. Crédit : Alex Parrish pour Virginia Tech.

Article : “Coalescence-Induced Jumping Bubbles during Pool Boiling” – DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202312088

[ Rédaction ]

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