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Aug 08, 2023

Étude de la conductivité thermique et des performances thermiques des caloducs grâce à un nanofluide ZnO stabilisé par un copolymère structurellement conçu

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 14219 (2023) Citer cet article Détails des métriques La présente étude s'est concentrée sur l'estimation de la conductivité thermique, de la stabilité, de l'efficacité et

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 14219 (2023) Citer cet article

Détails des métriques

La présente étude s'est concentrée sur l'estimation de la conductivité thermique, de la stabilité, de l'efficacité et de la résistance d'un caloduc pour échangeurs de chaleur, qui étaient essentielles pour de nombreuses applications industrielles. Pour y parvenir, un copolymère de poly amphiphile (acide styrène-co-2-acrylamido-2-méthylpropane sulfonique) poly (STY-co-AMPS) a été synthétisé par technique de polymérisation radicalaire. Les dispersants ont été utilisés pour la solution homogène et la stabilisation des nanofluides de ZnO. L'effet du dispersant sur la conductivité thermique des nanofluides a été analysé à l'aide d'un analyseur de propriétés thermiques KD2 pro. Il y a une augmentation significative de la conductivité du fluide en relation non linéaire avec la fraction volumique. L'amélioration maximale a été observée à une concentration optimisée de dispersant à 1,5 % en volume. Parallèlement, l'influence de l'agent dispersant sur la conductivité thermique des nanofluides a été comparée à celle des polyélectrolytes linéaires. En outre, les valeurs expérimentales ont été comparées aux modèles classiques existants sur la base d'un agrégat raisonnable, les nanofluides préparés étant utilisés comme milieu de travail. Le caloduc à mailles d'écran conventionnel et la répartition de la température sur la résistance thermique du caloduc ont été étudiés expérimentalement. Le résultat montre que la concentration optimale de dispersants sur les nanoparticules présente une efficacité thermique améliorée par rapport aux fluides de base. De plus, la résistance thermique et la répartition de la température présentent un comportement diminué en augmentant la fraction volumique des particules et la concentration du dispersant.

Au cours des deux dernières décennies, le stockage, le transport d’énergie et la production de chaleur constituent le principal domaine de recherche auquel 90 % du budget énergétique mondial a été alloué. Les développements rapides ont été repris dans les matériaux thermiques avancés et la recherche technologique. Il existe donc un besoin d’améliorer les propriétés thermophysiques des fluides de travail, ce qui peut conduire à une amélioration des performances de transfert thermique des dispositifs. L'huile moteur, l'éthylène glycol et l'eau sont principalement utilisés comme fluides conventionnels pour le transfert de chaleur en raison de leur faible conductivité thermique, qui affecte les performances des dispositifs de transfert de chaleur. Étant donné que le caloduc est un dispositif de transfert de chaleur biphasé qui transfère la chaleur avec une très faible chute de température d'un endroit à un autre. En raison de leur efficacité de refroidissement efficace, ils sont largement utilisés dans diverses applications de transfert de chaleur. Le caloduc est un système de refroidissement courant dans de nombreuses applications thermiques car le fluide de travail circule à travers un gradient de pression capillaire. La transition de phase et l'évaporation/condensation du fluide de travail provoquent une variation substantielle des caractéristiques de transfert de chaleur. L'efficacité du caloduc est basée sur la qualité/dimension du matériau, les propriétés du fluide et les structures de mèche1. Les applications thermiques comprennent les systèmes solaires2, la détection de gaz3, le refroidissement électronique4, l'optoélectronique5, l'aérospatiale6 et les échangeurs de chaleur7,8.

Pour les applications de transfert de chaleur, des nanofluides ont été utilisés comme fluides de travail, ce qui pourrait permettre de surmonter les inconvénients des fluides conventionnels. La dispersion stable des nanofluides thermiques est nécessaire pour exploiter tout le potentiel et respecter les normes industrielles9. Le principal inconvénient des NP serait la séparation des phases et leur précipitation hors des fluides. Lors du processus de transfert de chaleur, les nanofluides agrégés provoqueraient des problèmes de colmatage et d’abrasion dans certains systèmes microélectroniques10. Parvenir à la dispersion des nanofluides thermiques est l'un des plus grands défis et de nombreuses approches ont été tentées, notamment l'ajout de charges de surface/l'utilisation d'une modification chimique de la surface avec des tensioactifs. traitement ultrasonique, agitation mécanique, etc.

De nombreux chercheurs ont tenté d'améliorer les performances thermiques des nanofluides, Kang et al.11 ayant étudié l'effet des nanofluides d'argent sur un caloduc fritté. Selon leurs résultats, il y a une diminution de la puissance d'entrée de la température des parois de 30 à 50 W. De plus, les nanofluides utilisés comme fluide de travail dans les caloducs ont montré des performances thermiques plus élevées, allant jusqu'à 70 W, par rapport à l'eau comme fluide de base12. De même, Rosari et al.13 ont étudié la conductivité thermique et les performances thermiques des caloducs des nanofluides à base de ZnO-éthylène glycol à des fractions volumiques de particules inférieures. Dans leur observation, la répartition de la température et la résistance thermique des caloducs diminuent en augmentant la fraction volumique des particules et la taille cristalline. Alors que Jian et al.14 ont rapporté la comparaison des performances thermiques de caloducs oscillants (OHP) avec des nanofluides SiO2-eau et Al2O3-eau à une concentration massique de nanoparticules (0–0,6 % en poids de SiO2 et 0–1,2 % en poids d'Al2O3). On observe que le changement des conditions de surface au niveau du condenseur et de l’évaporateur est principalement dû à des particules différentes, qui affectent les performances thermiques ou la détérioration des caloducs15. En outre, une étude comparative des caloducs frittés et à mèche maillée sur des nanofluides de CuO a été réalisée par Kumaresan et al.16. Dans leur étude, le seul effet des caloducs à mèche frittée montre des performances thermiques et une résistance thermique améliorées des caloducs par rapport aux caloducs à mèche maillée à 70 W.