• Aucun résultat trouvé

Ce comportement est également observé lorsque de fortes intensités acoustiques sont utilisées mais que la surface chauffante reste placée dans le cône de cavitation (Figure I-72)

Néanmoins, quelle que soit l’intensité acoustique mise en œuvre, dans ces deux cas

l’augmentation de la puissance acoustique semble mener à une évolution asymptotique du

facteur d’intensification. L’asymptote semble atteinte d’autant plus rapidement que le flux

thermique est important. Sur la Figure I-72, l’essai réalisé avec un flux thermique égal à

0,7721 W.cm-2 atteint plus rapidement la saturation du facteur d’intensification que l’essai

réalisé avec un flux thermique égal à 0,055 W.cm-2.

Figure I-72: Illustration de l’effet de puissance acoustique et thermique pour une géométrie de

chauffe cylindrique et différents flux thermiques . Fréquence ultrasonore 18 kHz, eau plate (Caï, et

al., 2009)

De même, à intensité acoustique égale, plus le flux thermique est élevé, moins les ultrasons

semblent en mesure d’intensifier les transferts thermiques. Ces deux observations, visibles sur

la Figure I-72, couplées au fait que le comportement thermique reste asymptotique même

lorsque les intensités acoustiques sont faibles, comme pour la Figure I-71, permettent

d’avancer l’hypothèse selon laquelle l’effet asymptotique observé sur ces deux figures n’est

pas lié à un effet de saturation de l’intensité de la cavitation. Il trouve certainement son

origine dans le rapport existant entre les phénomènes permettant naturellement à l’échange

thermique d’avoir lieu, et les phénomènes ultrasonores, tels que la cavitation ou le jet de

bulles contre la surface chauffante, qui l’intensifient.

En transfert thermique, le « potentiel » permettant à tous les phénomènes d’avoir lieu trouve

son origine dans le gradient de température entre la paroi chauffante et le fluide à « l’infini ».

En convection naturelle, ce gradient de température génère un phénomène convectif. À

température de fluide fixe, plus le flux thermique est important, plus le phénomène convectif

sera intense. À température de fluide fixe, le flux thermique peut donc être considéré comme

étant le moteur du phénomène de convection naturelle. L’intensité acoustique est responsable

de l’apparition de la cavitation ultrasonore, ainsi que le jet de bulles accompagnant parfois ce

phénomène (Zhou, et al., 2004), et donc de l’intensification thermique observée. Il semble par

conséquent pertinent d’observer le comportement lié à l’intensification thermique en fonction

du ratio du flux thermique et de l’intensité acoustique à l’origine du transfert thermique ou de

son intensification.

À partir des résultats disponibles dans la publication de (Zhou, et al., 2004), il est possible de

tracer l’évolution du facteur d’intensification thermique en fonction du ratio de l’intensité

acoustique I [W.m-2] par le flux thermique surfacique φ [W.m-2] pour de l’acétone. Le

transducteur utilisé est une sonotrode vibrant à 18 kHz et capable de propulser un jet de bulles

de cavitation sur un barreau chauffant. Les Figures I-73 et I-74 sont la représentation du

même phénomène. Avec la Figure I-73, chaque série permet d’observer l’évolution du facteur

80

d’intensification thermique lorsque le flux thermique varie à intensité acoustique constante.

Avec la Figure I-74, c’est le flux thermique qui est fixé et l’intensité acoustique qui varie.

Figure I-73: Évolution du facteur d’intensification thermique en fonction du ratio de l’intensité

acoustique Ius [W.m-2] et du flux thermique surfacique φ [W.m-2]. Chaque série est tracée à intensité

acoustique fixe. Fréquence acoustique 19 kHz, fluide : acétone. Étude réalisée à partir des valeurs

de coefficient d’échange thermique issues de (Zhou, et al., 2004)

Figure I-74: Évolution du facteur d’intensification thermique en fonction du ratio de l’intensité

acoustique Ius [W.m-2] et du flux thermique surfacique φ [W.m-2]. Chaque série est tracée à flux

thermique fixe. Fréquence acoustique 19 kHz, fluide : acétone. Étude réalisée à partir des valeurs

de coefficient d’échange thermiqueissues de (Zhou, et al., 2004)

Ces deux figures permettent de prendre conscience du coût énergétique extrêmement élevé

des systèmes d’intensification des transferts thermiques par ultrasons. Par exemple, pour

atteindre la valeur d’intensification thermique la plus élevée 128 % (flèche et cercle rouge de

la Figure I-73), une intensité acoustique 185 fois supérieure au flux thermique est nécessaire.

Ce point de fonctionnement est l’optimum d’utilisation du dispositif mis en œuvre par (Zhou,

et al., 2004).

Pour terminer cette section, l’étude de l’influence sur l’intensification thermique de certains

des paramètres physiques pilotant la cavitation est maintenant abordée. Le premier point traite

de l’influence de la pression de vapeur saturante et de la tension superficielle. Dans le

processus de la cavitation, la pression de vapeur saturante favorise la nucléation alors que la

tension superficielle tend à s’opposer au grossissement de la bulle. En revanche, c’est la

tension superficielle qui est responsable de la force de rappel qui entraine le collapse de la

bulle. Il apparait donc qu’un optimum doit être trouvé entre ces deux valeurs. Bien entendu,

deux autres paramètres sont également extrêmement importants : la quantité de gaz dissout,

thème abordé juste après, et la pression extérieure régnant dans le milieu qui agit comme la

tension superficielle. Malheureusement, compte tenu des valeurs expérimentales disponibles

dans la littérature, la Figure I-75 ne traite que de l’influence du ratio entre la pression de

vapeur saturante et la tension superficielle sur l’intensification thermique.

Figure I-75: Évolution du facteur d’intensification thermique en fonction des propriétés du fluide

(pression de vapeur saturante et tension superficielle). Étude réalisée à partir des valeurs de

coefficients d’échange thermique issues de (Zhou, et al., 2004)

Elle permet néanmoins de comparer les valeurs du facteur d’intensification, obtenues

respectivement pour l’eau, l’éthanol et l’acétone (série bleue de la Figure I-75). Il semble que

plus le ratio pression de vapeur saturante/tension superficielle est élevé, plus grande est

l’intensification thermique. Cette évolution semble bien lissée par une fonction logarithme

Népérien. Par extrapolation, des prédictions de valeurs de facteur d’intensification pour deux

fluides commerciaux ont également été placées sur le graphique. Il faut bien entendu prendre

avec précaution ces extrapolations, car la courbe de tendance n’est issue que de trois points, et

que les valeurs issues de cette extrapolation n’ont pas été vérifiées expérimentalement. Si

elles devaient l’être, il faudrait veiller à reproduire les conditions opératoires de (Zhou, et al.,

2004). Cependant, ces fluides ont été placés sur cette figure, car bien qu’initialement utilisés

comme solvants, ils suscitent également de l’intérêt comme fluides caloporteurs. Il serait donc

intéressant de les tester.

L’eau n’apparait donc pas comme le fluide le mieux adapté à des systèmes d’intensification

thermique par cavitation ultrasonore. Il semble en revanche que les fluides présentant de

fortes valeurs de pression de vapeur saturante soient de bons candidats. Cela peut donc

signifier que le mécanisme d’intensification thermique en présence de cavitation, dans les

conditions expérimentales propres à (Zhou, et al., 2004), n’est pas lié au collapse violent de la

82

bulle, mais plutôt aux oscillations génératrices de cisaillement ainsi qu’au phénomène de jet

observé par les auteurs (Figure I-76). Il est ainsi aisé de comprendre pourquoi c’est la pression

de vapeur saturante, propriété physique favorisant l’apparition des bulles, qui pilote le

phénomène d’intensification thermique chez ces auteurs. Il est néanmoins possible qu’il en

soit autrement dans un contexte expérimental dans lequel les bulles ne sont pas projetées

contre la surface chauffante.

Figure I-76: Photographie des conditions expérimentales dans le dispositif d’étude mis en place

par (Zhou, et al., 2004). Le jet de bulles de cavitation en direction du barreau chauffant est visible

dans le cerclage rouge

De la même manière que pour la pression de vapeur saturante, une importante quantité de gaz

dissoute dans un liquide favorise l’apparition des bulles de cavitation. L’intensité de la

cavitation est directement liée à la quantité de gaz dissout dans le liquide. Certaines études ont

pu faire le lien entre les variations d’oxygène dissout dans l’eau et les variations du coefficient

d’échange thermique (Yukawa, et al., 1975). La variation de la concentration en oxygène

dissout dans l’eau a été utilisée comme marqueur indirect de l’activité cavitationnelle dans

cette étude. Il en ressort qu’à une concentration plus importante de dioxygène dans le fluide

correspondent des valeurs plus élevées du coefficient d’échange thermique (Tableau I-3). A

fréquence et puissance ultrasonore fixées, l’eau saturée en dioxygène à plus de 90 % présente

un coefficient d’échange thermique égal à 1001 W.m-2

.K-1 contre 574 W.m-2.K-1 pour l’eau

dégazée, soit 57 % plus élevé (Tableau I-3).

Documents relatifs