Les nanofrigorigènes

Qu’est-ce qu’un nanofrigorigène ?

 

Les nanofrigorigènes sont créés en ajoutant des nanoparticules en suspension à un frigorigène de base.

Les nanoparticules sont des particules solides d’une taille moyenne de 1 à 100 nanomètres (nm). Un nanomètre (nm) est un milliardième de mètre (10^-9). Différents types de nanoparticules peuvent être utilisées pour créer des nanofluides : des nanoparticules métalliques, des nanoparticules d’oxyde métallique, des nanoparticules de silicium, de silice, des nanotubes de carbone (CNT), etc. ^[3] Les CNT sont des nanofibres de carbone constitués de couches de graphène empilées ou enroulées sous forme de cylindres parfaits. Les CNT peuvent être soit à paroi simple (SWCNT) avec une forme cylindrique unidimensionnelle, soit à parois multiples (MWCNT) avec plusieurs couches enroulées en tubes concentriques, comme schématisé sur l’image.

 

Les propriétés thermophysiques des nanofrigorigènes

 

La conductivité thermique

 

Les nanofrigorigènes sont créés en ajoutant des nanoparticules en suspension dans un frigorigène de base. L'augmentation de la conductivité thermique obtenue par l'introduction de ces nanoparticules permet d’améliorer les performances de transfert de chaleur. Plusieurs études ont montré que les nanofrigorigènes présentent une conductivité thermique de 15 % à 104 % supérieure à celles des frigorigènes de base correspondants. ^{[1], [2]}

 

Les facteurs ayant une influence sur la conductivité thermique des nanofrigorigènes sont les suivants : le type de nanoparticules, la taille des nanoparticules, la concentration de nanoparticules, la température, le type de frigorigène de base et les propriétés thermophysiques du frigorigène de base et des nanoparticules. ^[3] Par exemple, il a été démontré qu’une concentration plus élevée de nanoparticules ou l’utilisation de nanoparticules de petite taille peut contribuer à une conductivité thermique accrue.

 

Dans une étude expérimentale utilisant des nanotubes de carbone (CNT), la conductivité thermique du nanofrigorigène R113/CNT était de 50 à 104 % supérieure à celle du frigorigène de base R113, avec une fraction volumique de CNT de 1,0%. Plusieurs types de CNT ont été testés, révélant que le diamètre des nanotubes de carbone a un effet significatif sur l’amélioration de la conductivité thermique : plus le diamètre du CNT était petit, plus la conductivité thermique du nanofrigorigène R113/CNT était élevée. ^[4]

 

Il convient de noter que la fraction massique des nanoparticules diminue continuellement au fil du temps, en raison de l’alternance des processus de condensation et d’évaporation. Au bout d’un certain temps, la diminution de la fraction massique de nanoparticules en suspension peut entraîner une diminution de la conductivité thermique du nanofrigorigène. ^[2]

 

La viscosité

 

La viscosité, comme la conductivité thermique, est une propriété influençant les performances de transfert de chaleur. Plusieurs études expérimentales ont montré que la viscosité des nanofrigorigènes augmente lorsque la concentration en nanoparticules augmente. Toutefois, la viscosité semble diminuer lorsque la température augmente. ^[3] Une étude a révélé que la viscosité du nanofrigorigène Al₂O₃/R134a était 13,68 % plus élevée que la viscosité du R134a seul, dans une plage de température allant de 283 K à 308 K. ^[6] Une viscosité plus élevée nuit au transfert de chaleur et augmente la quantité d’énergie nécessaire pour faire circuler le nanofrigorigène, en raison d’un coefficient de friction plus élevé. ^[5]

 

Les performances des systèmes frigorifiques utilisant des nanofrigorigènes

 

Performance des systèmes de compression à vapeur

 

Diverses études expérimentales ont fait état d’une augmentation du COP d’environ 5 à 15 % lorsque des nanofrigorigènes sont utilisés. ^{[1], [2]} Une étude a mis en évidence une augmentation du COP de 43,93 % pour le nanofrigorigène Al₂O₃/R600a par rapport au frigorigène de base R600a. ^[7] Dans les applications pratiques impliquant des refroidisseurs de grande puissance (1800 à 3 500 kW environ), une augmentation du COP d’environ 5 % peut être obtenue, ce qui permet d’économiser une quantité d’énergie considérable. ^[8]

 

Performance des systèmes à absorption

 

Des études récentes ont montré que l’ajout de nanoparticules dans le fluide actif des systèmes frigorifiques à absorption peut en améliorer le COP. ^{[2], [3], [9]} Par exemple, dans le cadre d’une expérience avec un système à absorption par diffusion (DAR), le fluide actif était un mélange ammoniac-eau avec 2 % de fraction massique de nanoparticules Al₂O₃. Les résultats ont montré une augmentation de 5 % du COP. ^[10] Dans le cadre d’une expérience testant un système frigorifique hybride à absorption par pile à combustible utilisant un mélange eau-Ag comme fluide actif, les résultats ont montré une augmentation de 18,5 % du COP. ^[9]

 

Liens utiles pour plus d'information

 

 

 

Références

[1]          A. Bhattad, J. Sarkar, et P. Ghosh, « Improving the performance of refrigeration systems by using nanofluids: A comprehensive review », Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 82, p. 3656‑3669, févr. 2018, doi: 10.1016/j.rser.2017.10.097.

[2]          S. S. Sanukrishna, M. Murukan, et P. M. Jose, « An overview of experimental studies on nanorefrigerants: Recent research, development and applications », Int. J. Refrig., vol. 88, p. 552‑577, avr. 2018, doi: 10.1016/j.ijrefrig.2018.03.013.

[3]          E. C. Okonkwo, I. Wole-Osho, I. W. Almanassra, Y. M. Abdullatif, et T. Al-Ansari, « An updated review of nanofluids in various heat transfer devices », J. Therm. Anal. Calorim., juin 2020, doi: 10.1007/s10973-020-09760-2.

[4]          W. Jiang, G. Ding, et H. Peng, « Measurement and model on thermal conductivities of carbon nanotube nanorefrigerants », Int. J. Therm. Sci., vol. 48, no 6, p. 1108‑1115, juin 2009, doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2008.11.012.

[5]          S. Bobbo, B. Buonomo, O. Manca, S. Vigna, et L. Fedele, « Analysis of the Parameters Required to Properly Define Nanofluids for Heat Transfer Applications », Fluids, vol. 6, no 2, Art. no 2, févr. 2021, doi: 10.3390/fluids6020065.

[6]          I. M. Mahbubul, A. Saadah, R. Saidur, M. A. Khairul, et A. Kamyar, « Thermal performance analysis of Al2O3/R-134a nanorefrigerant », Int. J. Heat Mass Transf., vol. 85, p. 1034‑1040, juin 2015, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.02.038.

[7]          M. Aktas, A. S. Dalkilic, A. Celen, A. Cebi, O. Mahian, et S. Wongwises, « A Theoretical Comparative Study on Nanorefrigerant Performance in a Single-Stage Vapor-Compression Refrigeration Cycle », Adv. Mech. Eng., vol. 7, no 1, p. 138725, janv. 2015, doi: 10.1155/2014/138725.

[8]          V. Nair, P. R. Tailor, et A. D. Parekh, « Nanorefrigerants: A comprehensive review on its past, present and future », Int. J. Refrig., vol. 67, p. 290‑307, juill. 2016, doi: 10.1016/j.ijrefrig.2016.01.011.

[9]          F. Pourfayaz, M. Imani, M. Mehrpooya, et R. Shirmohammadi, « Process development and exergy analysis of a novel hybrid fuel cell-absorption refrigeration system utilizing nanofluid as the absorbent liquid », Int. J. Refrig., vol. 97, p. 31‑41, janv. 2019, doi: 10.1016/j.ijrefrig.2018.09.011.

[10]       A. Sözen, E. Özbaş, T. Menlik, M. T. Çakır, M. Gürü, et K. Boran, « Improving the thermal performance of diffusion absorption refrigeration system with alumina nanofluids: An experimental study », Int. J. Refrig., vol. 44, p. 73‑80, août 2014, doi: 10.1016/j.ijrefrig.2014.04.018.

 

(Source de l'image: Anwar T, Kumam P, Khan I, Watthayu W. Heat Transfer Enhancement in Unsteady MHD Natural Convective Flow of CNTs Oldroyd-B Nanofluid under Ramped Wall Velocity and Ramped Wall Temperature. Entropy. 2020; 22(4):401. https://doi.org/10.3390/e22040401 )