L’ébullition de l’eau ou d’autres fluides est une étape énergivore au cœur d’un large éventail de processus industriels, y compris la plupart des centrales électriques, de nombreux systèmes de production chimique et même des systèmes de refroidissement pour l’électronique.
L’amélioration de l’efficacité des systèmes qui chauffent et évaporent l’eau pourrait réduire considérablement leur consommation d’énergie. Aujourd’hui, des chercheurs du MIT ont trouvé un moyen d’y parvenir, avec un traitement de surface spécialement adapté aux matériaux utilisés dans ces systèmes.
L’efficacité améliorée provient d’une combinaison de trois types différents de modifications de surface, à différentes échelles de taille. Les nouvelles découvertes sont décrites dans la revue Matériaux avancés dans un article du récent diplômé du MIT Youngsup Song Ph.D. ’21, Ford professeur d’ingénierie Evelyn Wang, et quatre autres au MIT. Les chercheurs notent que cette découverte initiale est encore à l’échelle du laboratoire et que des travaux supplémentaires sont nécessaires pour développer un processus pratique à l’échelle industrielle.
Deux paramètres clés décrivent le processus d’ébullition : le coefficient de transfert de chaleur (HTC) et le flux de chaleur critique (CHF). Dans la conception des matériaux, il y a généralement un compromis entre les deux, donc tout ce qui améliore l’un de ces paramètres a tendance à aggraver l’autre. Mais les deux sont importants pour l’efficacité du système, et maintenant, après des années de travail, l’équipe a trouvé un moyen d’améliorer considérablement les deux propriétés en même temps, grâce à leur combinaison de différentes textures ajoutées à la surface d’un matériau.
La vidéo à haute vitesse de la configuration de test des chercheurs montre de l’eau bouillante sur une surface spécialement traitée, ce qui provoque la formation de bulles à des points distincts spécifiques plutôt que de s’étaler dans un film sur la surface, conduisant ainsi à une ébullition plus efficace. La vidéo a été ralentie 100 fois pour montrer plus de détails. Crédit : Institut de technologie du Massachusetts
« Les deux paramètres sont importants », dit Song, « mais améliorer les deux paramètres ensemble est un peu délicat car ils ont un compromis intrinsèque. » La raison en est, explique-t-il, « parce que si nous avons beaucoup de bulles sur la surface d’ébullition, cela signifie que l’ébullition est très efficace, mais si nous avons trop de bulles sur la surface, elles peuvent fusionner, ce qui peut former une vapeur ». film sur la surface en ébullition. » Ce film introduit une résistance au transfert de chaleur de la surface chaude vers l’eau. « Si nous avons de la vapeur entre la surface et l’eau, cela empêche l’efficacité du transfert de chaleur et abaisse la valeur du CHF », dit-il.
Song, qui est maintenant postdoctorant au Lawrence Berkeley National Laboratory, a effectué une grande partie de la recherche dans le cadre de sa thèse de doctorat au MIT. Alors que les différents composants du nouveau traitement de surface qu’il a développé avaient été étudiés auparavant, les chercheurs affirment que ce travail est le premier à montrer que ces méthodes pourraient être combinées pour surmonter le compromis entre les deux paramètres concurrents.
L’ajout d’une série de cavités microscopiques, ou bosses, à une surface est un moyen de contrôler la façon dont les bulles se forment sur cette surface, en les maintenant efficacement épinglées aux emplacements des bosses et en les empêchant de se propager dans un film résistant à la chaleur. Dans ce travail, les chercheurs ont créé un réseau de bosses de 10 micromètres de large séparées d’environ 2 millimètres pour empêcher la formation de film. Mais cette séparation réduit également la concentration de bulles à la surface, ce qui peut réduire l’efficacité d’ébullition. Pour compenser cela, l’équipe a introduit un traitement de surface à beaucoup plus petite échelle, créant de minuscules bosses et crêtes à l’échelle nanométrique, ce qui augmente la surface et favorise le taux d’évaporation sous les bulles.
Dans ces expériences, les cavités ont été réalisées au centre d’une série de piliers à la surface du matériau. Ces piliers, combinés à des nanostructures, favorisent l’évacuation du liquide de la base vers leurs sommets, ce qui améliore le processus d’ébullition en offrant une plus grande surface exposée à l’eau. En combinaison, les trois « niveaux » de la texture de surface – la séparation de la cavité, les poteaux et la texturation à l’échelle nanométrique – offrent une efficacité considérablement améliorée pour le processus d’ébullition, explique Song.
« Ces micro-cavités définissent la position où les bulles apparaissent », dit-il. « Mais en séparant ces cavités de 2 millimètres, nous séparons les bulles et minimisons la coalescence des bulles. » Dans le même temps, les nanostructures favorisent l’évaporation sous les bulles, et la capillarité induite par les piliers alimente en liquide le fond des bulles. Cela maintient une couche d’eau liquide entre la surface d’ébullition et les bulles de vapeur, ce qui améliore le flux de chaleur maximal.
Bien que leur travail ait confirmé que la combinaison de ces types de traitements de surface peut fonctionner et obtenir les effets souhaités, ce travail a été effectué dans des conditions de laboratoire à petite échelle qui ne pouvaient pas facilement être étendues à des dispositifs pratiques, explique Wang. « Ces types de structures que nous fabriquons ne sont pas destinés à être mis à l’échelle dans leur forme actuelle », dit-elle, mais ont plutôt été utilisés pour prouver qu’un tel système peut fonctionner. Une prochaine étape consistera à trouver d’autres moyens de créer ces types de textures de surface afin que ces méthodes puissent plus facilement être étendues à des dimensions pratiques.
« Montrer que nous pouvons contrôler la surface de cette manière pour obtenir une amélioration est une première étape », dit-elle. « Ensuite, la prochaine étape consiste à réfléchir à des approches plus évolutives. » Par exemple, bien que les piliers à la surface de ces expériences aient été créés à l’aide de méthodes de salle blanche couramment utilisées pour produire des puces semi-conductrices, il existe d’autres moyens moins exigeants de créer de telles structures, comme l’électrodéposition. Il existe également un certain nombre de façons différentes de produire les textures de nanostructure de surface, dont certaines peuvent être plus facilement évolutives.
Certaines applications importantes à petite échelle pourraient utiliser ce processus sous sa forme actuelle, telles que la gestion thermique des appareils électroniques, un domaine qui devient de plus en plus important à mesure que les dispositifs à semi-conducteurs deviennent plus petits et que la gestion de leur production de chaleur devient de plus en plus importante. « Il y a certainement un espace là-bas où c’est vraiment important », dit Wang.
Même ces types d’applications prendront un certain temps à se développer car les systèmes de gestion thermique pour l’électronique utilisent généralement des liquides autres que l’eau, appelés liquides diélectriques. Ces liquides ont une tension de surface différente et d’autres propriétés que l’eau, de sorte que les dimensions des caractéristiques de surface devraient être ajustées en conséquence. Le travail sur ces différences est l’une des prochaines étapes de la recherche en cours, dit Wang.
Cette même technique de structuration multi-échelles pourrait également être appliquée à différents liquides, dit Song, en ajustant les dimensions pour tenir compte des différentes propriétés des liquides. « Ce genre de détails peut être modifié, et cela peut être notre prochaine étape », dit-il.
Youngsup Song et al, Structures hiérarchiques à trois niveaux pour des performances extrêmes de transfert de chaleur en ébullition en piscine, Matériaux avancés (2022). DOI : 10.1002/adma.202200899
Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement au MIT.