Evolutions de la méthode du fil chaud modulé pour la caractérisation thermo-dépendante à haute résolution des fluides caloporteurs avancés (THERMOMEGA)

par Salim Arous

Projet de thèse en SI - Sciences de l'Ingénieur

Sous la direction de Mihai Chirtoc, Nicolas Horny et de Jean-francois Henry.

Thèses en préparation à Reims , dans le cadre de SNI - Sciences du Numérique et de l'Ingénieur , en partenariat avec GRESPI / ISI (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Ce projet consiste à mutualiser les synergies créées ces dernières années au laboratoire autour d'une méthode innovante de mesure de propriétés thermophysiques ayant dernièrement débouché sur un dépôt de brevet et la mise au point d'un instrument de mesure dans le cadre d'un projet de transfert de technologie avec la SATT Nord. En outre, dans le cadre de nos travaux récents, nous sommes impliqués dans le cadre du projet Européen COST CA15119, 'Overcoming Barriers to Nanofluids Market Uptake, NANOUPTAKE' (2016-2020) pour la caractérisation thermophysique des nanofluides. De plus, nous avons été sollicités pour la réalisation d'une base de données des propriétés thermophysiques des huiles végétales en remplacement des huiles de synthèse sur des procédés de récupération et de stockage d'énergie pour concentrateurs solaires – ceci lors d'une collaboration avec le laboratoire PROMES (CNRS UPR-8521) de Perpignan. Ces besoins concrets ne peuvent pas être satisfaits par des instruments de mesure existants. Le principal critère de performance est une haute résolution (+/- 0.1 %) et une reproductibilité permettant de différencier des fluides avec des propriétés thermophysiques très proches dans la même classe de matériaux, et ceci sur une plage de température allant de 0°C jusqu'à 300°C. De plus, l'étude des matériaux à changement de phase nécessite des mesures en temps réel des différents paramètres thermiques, mesures non accessibles pour le moment. Contrairement au projet « maturation » de la SATT actuellement terminé et qui ne se préoccupait que de la partie transfert de technologie, celui-ci va nous permettre de nous engager dans les applications citées ci-après, par une approche plus large, sur une durée de 3 ans. Ses objectifs sont : (i) D'approfondir les bases théoriques de la méthode du fil chaud avec excitation modulée dite '3omega' et de la proposer comme alternative moderne à la méthode traditionnelle du fil chaud en régime transitoire. (ii) De réaliser de sondes compensées en température en cohérence avec le brevet déposé, en utilisant un fil isolé, pour application aux liquides conducteurs électriques. (iii) D'effectuer des mesures simultanées et indépendantes de conductivité thermique et de capacité thermique volumique sur des fluides caloporteurs avancés (nanofluides, matériaux à changement de phase MCP et liquides ioniques LIs). Interpréter ces résultats par l'intermédiaire des modèles prédictifs de la conductivité thermique effective pour les nanofluides, ou en corrélation avec la structure moléculaire des LIs. La mesure en continu de deux paramètres thermophysiques pendant la transition de phase des MCP sera une première scientifique. (iv) De démontrer la pertinence du dispositif pour des applications transversales et innovantes non encore exploitées par cette technologie (anémométrie, propriétés thermophysiques des gaz, phénomènes de transition de phase, thermodiffusion, sédimentation, microfluidique, intégration avec d'autres capteurs, concept de 'lab on chip'). Le sujet de la caractérisation thermophysique en fonction de la température des fluides caloporteurs avancés est crucial pour la gestion durable de l'énergie. D'autre part, les propriétés thermophysiques des liquides ioniques biosourcés n'ont pas été étudiées dans la plage de température de leur état liquide. Le projet proposé est en lien avec les thématiques des Stratégies de Spécialisation Intelligente (S3) en vigueur sur le Grand Est.

  • Titre traduit

    Modulated hot wire method for temperature-dependent thermophysical characterization of advanced heat transfer fluids


  • Résumé

    This project consists on pooling the synergies created in recent years in the laboratory around an innovative thermophysical property measurement method that has recently led to a patent filing, and on the development of a measurement instrument in the context of a technology transfer project with SATT Nord. In addition, as part of our recent work, we are involved in the European project COST CA15119, 'Overcoming Barriers to Nanofluids Market Uptake, NANOUPTAKE' (2016-2020) for the thermophysical characterization of nanofluids. In addition, we have been asked to create a database for the thermophysical properties of vegetable oils replacing synthetic oils on energy recovery and storage processes for solar concentrators - this in collaboration with the PROMES laboratory (CNRS UPR-8521) in Perpignan. These concrete needs cannot be achieved by existing measuring instruments. The main performance criterion is a high resolution (+/- 0.1%) and a reproducibility allowing to differentiate fluids with very close thermophysical properties in the same class of materials, and this for a temperature range from 0 °C up to 300 °C. In addition, the study of phase change materials requires real-time measurements of the various thermal parameters, which are not available at the moment. Unlike the "maturation" project of the SATT, which is now finished and only concerned with the technology transfer part, this current project will allow us to engage in the following applications, with a broader, longer-term approach during 3 years. These objectives are: i) To deepen the theoretical bases of the modulated excitation hot-wire method known as '3omega' and to propose it as a modern alternative to the traditional hot wire method under transient conditions. (ii) Making temperature-compensated probes consistent with the patent filed, using an insulated wire, for application to electrically conductive liquids. (iii) Perform simultaneous and independent measurements of thermal conductivity and volume heat capacity on advanced heat transfer fluids (nanofluids, MCP phase change materials and LIs). Interpret these results through predictive models of effective thermal conductivity for nanofluids, or in correlation with the molecular structure of LIs. Continuous measurement of two thermophysical parameters during PCM phase transition will be a first.(iv) To demonstrate the relevance of the device for cross-cutting and innovative applications not yet exploited by this technology (anemometry, thermophysical properties of gases, phase transition phenomena, thermodiffusion, sedimentation, microfluidics, integration with other sensors, concept of 'lab on chip'). The subject of thermophysical characterization as a function of the temperature of advanced heat transfer fluids is crucial for the sustainable energy management. On the other hand, the thermophysical properties of biosourced ionic liquids have not been studied in the temperature range of their liquid state. The proposed project is related to the themes of Smart Specialization Strategies (S3) in effective in Grand Est.