Les bulles bouillies sautent pour transporter plus de chaleur


L’eau est souvent la ressource privilégiée pour le transfert de chaleur, étant utilisée dans des opérations de refroidissement à grande échelle telles que les centres de données qui alimentent Internet et les centrales nucléaires qui alimentent les villes. Découvrir des phénomènes dynamiques pour rendre le transfert de chaleur à base d’eau plus efficace en termes d’énergie et de coût est le travail en cours de Jonathan Boreyko, professeur agrégé et chercheur John R. Jones III en génie mécanique.

Boreyko et son équipe ont publié de nombreux articles sur le thème de l’eau et de la façon dont elle peut se déplacer, avec des membres de son laboratoire de fluides et d’interfaces inspirés de la nature produisant des gouttelettes d’eau qui bondissent propulsées par la tension superficielle et du givre qui saute par voie électrostatique. Après avoir incorporé les deux phases liquide et solide dans les deux premiers volumes, leur troisième volume étudie une troisième phase avec de l’eau bouillante.

« Au cours de mes recherches de doctorat à l’Université Duke, j’ai découvert des gouttelettes d’eau sautillantes », a déclaré Boreyko. « Une décennie plus tard, mon propre étudiant diplômé a découvert la glace sautante au cours de ses recherches sur la croissance du gel. Cela m’a déterminé à terminer une « trilogie » en trois phases pour sauter de l’eau, ce que nous avons réalisé ici avec cet article sur les bulles sautantes pendant l’ébullition de l’eau.  » Quand Hyunggon m’a montré les premières vidéos de ces bulles sauteuses qui complètent la trilogie, il va sans dire que je sautais d’excitation. « 

Hyunggon Park, étudiant diplômé, a créé une chaudière microstructurée capable de libérer des bulles d’une taille dix fois inférieure à la taille habituelle, déployant un barrage constant de bulles pour transporter l’énergie. Le résultat est une méthode plus efficace pour éliminer la chaleur d’une surface. L’étude a été publiée dans Matériaux fonctionnels avancés.

S’appuyer sur l’ébullition

L’ébullition est le moyen le plus efficace de transférer continuellement de la chaleur dans l’eau. Si l’ébullition reste constante, le départ d’énergie aussi. L’énergie est transportée dans des bulles, comme des voitures sphériques transportant des passagers thermiques. Ces bulles partent normalement lorsque leur propre flottabilité devient plus forte que l’adhérence de la surface, les faisant remonter à la surface et libérer de l’énergie.

La nouvelle méthode de Park et Boreyko améliore ce principe en rendant la flotte de voitures-bulles plus petite et plus nombreuse. Parce qu’il y a un départ plus constant de bulles, plus de passagers énergétiques partent également. Les bulles n’attendent pas leur propre flottabilité pour faire le travail, mais elles s’éloignent plus rapidement de la surface chauffée. Étant donné que les bulles sont également microscopiquement petites, l’équipe a résolu une panne qui se produit avec des bulles plus grosses et bloque l’évacuation de la chaleur.

« Normalement, la flottabilité détache ces bulles de surface lorsqu’elles mesurent quelques millimètres de diamètre, leur permettant de s’échapper et d’évacuer la chaleur sous forme de vapeur », a expliqué Boreyko. « Lors de l’ébullition à des températures plus élevées, ces grandes 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 au niveau de la surface

Le secret de la méthode de l’équipe réside dans les surfaces techniques qu’ils ont créées. En fabriquant un ensemble de micro-cavités sur la surface d’ébullition, des bulles se forment et se développent préférentiellement à l’intérieur des cavités. Des paires de cavités sont intentionnellement placées très rapprochées les unes des autres, provoquant la fusion de bulles voisines de tailles inhabituellement petites. À des tailles aussi petites, la force de tension superficielle est très forte, ce qui fait que les bulles s’éloignent de la surface lorsqu’elles fusionnent. Dans le cas d’un centre de données, une évacuation plus rapide de la chaleur d’une surface pourrait faire la différence entre le statu quo et des temps d’arrêt coûteux.

À bien des égards, cet effet de bulle sautante est très similaire aux gouttelettes de rosée sautillantes découvertes précédemment par Boreyko. L’utilisation de la tension superficielle s’est avérée utile dans les deux cas, mais le facteur supplémentaire de chaleur introduit une nouvelle dynamique.

En rassemblant ces éléments, Boreyko s’attend à ce que le phénomène de saut soit plus pratique lorsqu’il trouvera des applications généralisées pour le refroidissement et le transfert de chaleur.

« Pour faire sauter les gouttelettes, la surface a besoin d’un revêtement hydrophobe et de nanostructures ultra-petites, toutes deux fragiles et coûteuses », explique Boreyko. « En revanche, les bulles préfèrent sauter sur une surface hydrophile, ce qui permet d’utiliser des métaux non revêtus. De plus, les microcavités nécessaires au saut des bulles sont beaucoup plus grandes et plus durables que les nanostructures nécessaires au saut des gouttelettes. »

Ce projet jette des bases plus approfondies pour comprendre la mécanique des fluides de l’effet de bulle sautante. La prochaine étape consiste à mesurer l’amélioration du transfert de chaleur par l’ébullition, cartographiée sur une large gamme de températures et de géométries de surface, afin de mieux comprendre tout le potentiel de l’ébullition améliorée par saut.

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