Performances thermiques d une boucle diphasique fonctionnant avec un nanofluide

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1 Performances thermiques d une boucle diphasique fonctionnant avec un nanofluide A. CHEHADE a, H. LOUAHLIA-GUALOUS a, S. LE MASSON b a. Université de Caen Basse Normandie, LUSAC-site de Saint Lô, 120 rue de l exode, Saint Lô b. France Télécom, Orange Labs, 2 avenu Pierre Marzin Lannion Résumé : Cet article traite du refroidissement passif des armoires de télécommunication pour le réseau des mobiles. Une boucle diphasique constituée uniquement d un condenseur et d un évaporateur est développée. Elle utilise le processus de changement de phase d un fluide caloporteur pour assurer le transfert d énergie de l armoire vers le milieu extérieur. Ceci lui assure l avantage de fonctionner sans circulateur et par conséquent sans aucune consommation électrique. Les résultats présentés dans cet article portent principalement sur les performances énergétiques de la boucle testée pour différentes charges de l eau utilisée comme fluide caloporteur. Les essais sont également effectués en utilisant une suspension de nanoparticules métalliques en argent dans l eau désionisée. On montre que les performances thermiques de la boucle peuvent être améliorée en contrôlant la concentration en nanoparticules. Abstract : This article discusses the passive cooling of telecommunication cabinets assigned for mobile network. A twophase loop consisting only of a condenser and an evaporator is developed. It uses the process of fluid phase change to transfer energy from the telecommunication cabinet to the surroundings. Since the loop does not incorporate a circulating pump is not necessary, the power consumption is eliminated. The results presented in this article focus on the energy performance of the loop tested for different fill charges of pure water used as a coolant. Moreover, the performance of the loop while suspending silver nanoparticles in deionized water is compared to that using pure water. It is shown that the thermal performance of the loop can be improved by controlling nanoparticles concentration. Mots clefs : boucle passive, changement de phase, efficacité énergétique, nanofluide 1 Contexte de l étude La consommation d énergie électrique par les équipements de télécommunication est actuellement préoccupante. En effet, la puissance consommée dans les réseaux d accès peut atteindre des valeurs de 80W par abonné [1]. Ceci, sans tenir compte de la consommation électrique des systèmes de refroidissement des équipements de télécommunication qui mérite d être réduite. Ajouté à cela, le nombre d abonnés dans le réseau des mobiles augmente continuellement dans le monde entier (une augmentation de l ordre de 20% par année selon une étude européenne réalisée dans le cadre du projet Building the future Optical Network in Europe ). Récemment, l association mondiale des opérateurs télécoms mobiles (GSMA) a également publié un rapport présentant une estimation de la consommation énergétique et des émissions des gaz à effet de serre résultant de la consommation électrique mondiale des réseaux mobiles [2]. Le tableau ci dessous présente le détail de la consommation et du coût mondial de l énergie pour les communications mobiles. Selon le rapport «Manifeste vert du secteur des communications mobiles» publié par l association GSMA en 2012 [2], l objectif est de réduire de 40 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre par connexion d ici 2020 dans le secteur des communications mobiles. 1

2 Région Energie consommée en kwh/connexion Coût énergétique en $/connexion Emission en kg CO 2 par connexion Afrique South & Central America Asia Pasific East Europe West Europe Middle East USA and Canada Total Tableau 1. Estimation mondiale par connexion de la consommation et du coût énergétiques ainsi que des émissions de CO2 [2]. Il est donc nécessaire de se préoccuper de la consommation énergétique des systèmes d information et de télécommunication. Il faut aussi développer des moyens adaptés permettant de contribuer à des économies d énergie et une réduction des émissions de CO 2. L'enjeu est devenu fort pour les exploitants de trouver des solutions innovantes à ces problématiques. C est la raison pour laquelle le projet OPERANET2 (Optimising Power Efficiency in mobile Radio Networks 2) regroupe plusieurs partenaires européens soucieux de l amélioration de l efficacité énergétique des équipements de télécommunication. Dans le cadre de ce projet, une étude sur le refroidissement passif des équipements de télécommunication est conduite. Une boucle thermosiphon est développée pour refroidir des armoires de télécommunication pour des réseaux mobiles [3-6] en respectant la norme ETSI (European Telecommunication Standard Institute) [7]. Cette dernière impose une température de l'air à l'entrée des équipements actifs comprise entre 5 C et 55 C. Dans cet article, on présente des résultats expérimentaux sur un prototype de boucle thermosiphon destinée pour le refroidissement d air des équipements de télécommunication. Le banc d essais et la procédure d étude expérimentale suivie sont décrits. Des essais sont conduits avec l eau et des nanofluides comme fluides caloporteurs afin de mettre en évidence l effet des nanoparticules sur les performances thermiques de la boucle. 2 Dispositif et procédure expérimentaux 2.1 Banc d essais expérimental Le dispositif expérimental présenté en figure 1, se compose de deux circuits. Le premier est un circuit fermé comportant principalement deux éléments principaux : un évaporateur et un condenseur. Le second est un circuit ouvert destiné à alimenter le condenseur en eau de refroidissement à température d entrée régulée. Ce circuit comporte un bain d eau thermostaté, un débitmètre et une vanne pour régler le débit d eau de refroidissement du condenseur. La pompe met en circulation le fluide de refroidissement du réservoir vers l entrée du condenseur. A la sortie de ce dernier, l eau réchauffée est envoyée dans un second échangeur refroidi avec l eau du robinet. Le débit d eau de refroidissement ainsi que sa température d entrée et de sortie sont mesurés afin d évaluer la puissance utile pour condenser la vapeur. La boucle est équipée de deux capteurs de pression placés à l entrée du condenseur et à la sortie de l évaporateur. Aussi, deux capteurs de pression différentielle sont installés pour mesurer la perte de charge dans le condenseur et l évaporateur. Des thermocouples sont placés à l entrée et à la sortie du condenseur et de l évaporateur pour mesurer les températures du fluide caloporteur. 2.2 Section d essais : évaporateur L évaporateur est constitué d un bloc central qui contient des mini-canaux de 1,2 mm de diamètre assurant la circulation de la vapeur produite dans la chambre liquide. Les chambres du liquide et de la vapeur sont placées de part et d autre du bloc central de l évaporateur contenant les minicanaux. Le réservoir liquide permet d assurer une réserve en continu de liquide pour alimenter la boucle afin d éviter les problèmes d assèchement de la surface. La chambre de la vapeur est connectée à l entrée du condenseur par un tube 2

3 d inox de longueur 60 cm. La chambre liquide est raccordée à la sortie du condenseur par un tuyau du même type et de longueur 68 cm. La base de la chambre liquide est en contact direct avec un bloc chauffant en cuivre contenant une cartouche cylindrique de diamètre 10 mm et d une puissance maximale de 500W. Le bloc chauffant et l évaporateur sont isolés thermiquement pour éviter toute dissipation thermique vers le milieu ambiant. Des thermocouples chromel-alumel de 75µm de diamètre sont insérés dans le bloc chauffant. Ils sont placés sur deux niveaux à 2 mm et à 9 mm par rapport à la surface de contact entre le bloc chauffant et le réservoir liquide. Les premiers thermocouples sont placés à 7 mm du bord du bloc chauffant. Un espacement de 20 mm est utilisé entre tous les thermocouples. Pour assurer un meilleur contact entre la soudure des thermocouples et le bloc en cuivre, les thermocouples sont insérés dans des trous remplis par de l étain. a 2 b Robinet Figure 1 : (a) Photo et (b) schéma du banc d essais expérimental ; (1) évaporateur, (2) condenseur, (3) circuit de charge, (4) bain d eau thermostaté, (5) wattmètre, (6) régulateur de tension, (7) système d acquisition, et (8) pompe à vide. 2.3 Procédure expérimentale Avant de commencer les essais, nous avons utilisé une pompe à vide pour mettre la boucle sous vide. Ensuite, nous avons effectué les essais sur la boucle de refroidissement en utilisant différents fluides caloporteurs. La puissance du bloc chauffant en contact avec la chambre liquide de l évaporateur, est variable grâce à un variateur de tension d alimentation des cartouches chauffantes. Un wattmètre est utilisé pour mesurer la puissance imposée au niveau de ce bloc. Les températures et les pressions en différents points de mesure dans la boucle sont enregistrées avec la fréquence d une mesure par seconde grâce à un système d acquisition Labview géré par un ordinateur. 3 Résultats expérimentaux et discussions Les performances thermiques de la boucle de refroidissement sont étudiées pour différentes puissances imposées. L efficacité thermique de la boucle est également étudiée en ajoutant des nanoparticules en argent suspendues dans l eau désionisée. L ensemble des résultats obtenus est présenté en régime permanent. 3.1 Détermination de la charge optimale de la boucle Influence de la charge en fluide caloporteur 3

4 En général, les boucles diphasiques fonctionnent en utilisant un fluide caloporteur avec une quantité bien contrôlée dans le réservoir liquide. La dissipation des calories du système à refroidir entraîne un changement de phase du fluide caloporteur sous sa pression de saturation. La masse du liquide évaporée est entraînée vers le condenseur sous l effet des forces de flottabilité. Dans le condenseur, la vapeur se met à l état liquide et ensuite coule sous l effet des forces de gravité vers l entrée de l évaporateur. Dans ce paragraphe, on présente les premiers essais de caractérisation qui sont effectués avec de l eau pure comme fluide caloporteur. Nous avons imposé une puissance électrique variant entre 20 W et 70 W. Au cours de cette série d essais, le débit d eau de refroidissement du condenseur ainsi que sa température d entrée sont maintenus constants. La figure 2 présente les températures de la surface de la chambre liquide qui est en contact avec le bloc chauffant. Ces températures sont estimées à partir de la loi de Fourier en considérant une conduction thermique monodimensionnelle. On montre que pour chaque puissance imposée la température de la paroi varie en fonction de la charge en eau. Nous constatons que la température de la paroi est minimale pour une charge optimale de la boucle correspondant à 25g. Deux zones peuvent être repérées : une première zone où la charge est inférieure à sa valeur optimale ; dans ce cas la température de la paroi augmente en réduisant la charge. Une seconde zone où la charge est supérieure à sa valeur optimale et dans ce cas la température de la paroi augmente avec la charge en fluide caloporteur. L existence d une charge optimale est due à deux phénomènes physiques qu il faut éviter pour assurer un fonctionnement efficace de la boucle : la réduction du transfert thermique dans l évaporateur à cause de la résistance thermique du fluide caloporteur dans la chambre liquide qui augmente en augmentant sa quantité dans la chambre. Le second phénomène est l assèchement de la paroi qui peut être déclenché à cause d une insuffisance de la quantité de fluide caloporteur dans la chambre liquide. Ceci entraîne également une diminution du transfert thermique et une augmentation de la température de la paroi. Figure 2 : Influence de la charge sur la température de la paroi Détermination de la résistance thermique de la boucle La résistance thermique de la boucle est calculée par le rapport entre l écart de la température en sortie de l évaporateur et celle en sortie du condenseur et la densité du flux thermique imposée. Elle est calculée pour chaque puissance imposée lorsque le système atteint son régime permanent. La figure 3 présente les variations de la résistance thermique déterminées pour différentes valeurs de puissance imposées et pour différentes charges du système. Le débit d eau de refroidissement du condenseur et sa température d entrée sont constants. La résistance thermique de la boucle est liée à la quantité de fluide caloporteur contenue dans la chambre liquide. En effet, pour chaque puissance imposée, la résistance thermique de la boucle augmente avec la charge en fluide caloporteur dans la boucle. Pour chaque charge, la résistance thermique de la boucle diminue en augmentant la puissance imposée ceci du fait que la quantité de fluide caloporteur évaporée est augmentée avec la puissance et la quantité restante à l état liquide dans l évaporateur est réduite. Les valeurs maximales des résistances thermiques sont obtenues à faibles puissances électriques qui engendrent une faible évaporation de fluide caloporteur et à grande charge. 4

5 Figure 3 : Influence de la charge sur la résistance thermique de la boucle. 3.2 Performance de la boucle fonctionnant avec un nanofluide Actuellement, une nouvelle classe de fluides caloporteurs est destinée à être utilisée dans les échangeurs thermiques car elle permet d assurer une intensification des coefficients d échange thermique [7-8]. Ces fluides caloporteurs sont composés du mélange d un fluide de base qui est généralement de l eau désionisée et de nanoparticules métalliques caractérisées par une conductivité thermique 400 à 1000 fois plus importante que celle du fluide de base. Cette classe de fluide est appelée nanofluide contenant des particules de taille nanométrique comprise généralement entre 5 et 100 nm. Plusieurs études sur le transfert thermique des nanofluides sont publiées dans la littérature. Des auteurs ont mesuré une augmentation des coefficients d échange thermique et d autres, ont trouvé une détérioration de ces coefficients d échange. Les résultats publiés dans la littérature restent dispersés ; ce qui nécessite d autresdansle domaine des échanges avec les nanofluides [9]. Nous présentons des résultats obtenus lorsque l eau utilisée comme fluide caloporteur a été remplacé par un nanofluide. Ce dernier est constitué d eau désionisée comme fluide de base mélangé à des nanoparticules d argent de taille 30nm. L objectif est de définir l impact de ces nanoparticules sur les performances thermiques de la boucle diphasique. La boucle diphasique a été chargée d une quantité de fluide caloporteur équivalente à la charge optimale. Ensuite, nous avons conduit des séries d essais dans les mêmes conditions opératoires mais en utilisant différentes concentrations en nanoparticules. Figure 4. Effet des nanoparticules sur : (a) la pression à la sortie de l évaporateur, (b) la résistance thermique de la boucle. Les figures 4a et 4b montrent respectivement la pression du fluide caloporteur ainsi que la résistance thermique de la boucle pour différentes puissances. L incertitude de la résistance thermique est de 5.7%. On constate que la pression du fluide caloporteur à la sortie de l évaporateur ainsi que la résistance thermique sont plus basses pour les nanofluides que pour l eau pure. Ces résultats témoignent de l amélioration des performances thermiques de la boucle en utilisant le processus de suspension de nanoparticules d argent dans le fluide de base. Cependant, l augmentation de la concentration en nanoparticules dans le fluide de base ne 5

6 s accompagne pas forcement d une amélioration des performances. Ceci implique l existence d une concentration optimale pour laquelle les performances de la boucle sont meilleures. En effet, l amélioration du transfert thermique en utilisant un nanofluide est causée par un dépôt de nanoparticules métalliques sur la surface d échange (figure 5) qui contribue à favoriser le changement de phase du fluide caloporteur. Cependant, ce dépôt doit être contrôlé pour ne pas détériorer les microsites formés sur la surface et réduire les transferts. (a) Figure 5. Etat de la surface d échange : (a) avant utilisation du nanofluide, (b) après utilisation du nanofluide. 4 Conclusions Les boucles diphasiques sont des excellents systèmes de transport de chaleur avec l avantage d assurer le refroidissement des systèmes sans aucune consommation électrique. Ajouté à cet avantage, elles utilisent le processus de transfert de chaleur par changement de phase liquide-vapeur qui reste une technique particulièrement efficace, caractérisée par des coefficients de transfert thermique élevés. Les performances énergétiques des boucles diphasiques dépendent de la charge et de la nature du fluide caloporteur. Les résultats présentés dans cet article montrent la présence d une charge optimale permettant de faire fonctionner la boucle en évitant les problèmes d assèchement ou de surcharge en fluide caloporteur. La suspension de nanoparticules d argent dans l eau désionisée contribue à l augmentation des performances de la boucle. Les résultats obtenus montrent que la concentration en nanoparticules impacte les performances de la boucle. Remerciement Ce travail s insère dans le cadre du projet européen OPERANET2 labélisé par Celtic-Plus. Les auteurs remercient le Ministère Français du Redressement Productif - Direction Générale de la Compétitivité de l Industrie et des Services (DGCIS) d avoir accepté de financer ce travail de recherche. References [1] Télécommunications et consommation en énergie, Strategies, Telecoms&Multimedia, [2] Mobile s green manifesto, GSM Association, 2012, [3] ETSI EN , Environnemental conditions and environnemental tests for telecommunications equipment; Part 1-3: European Telecommunication Standard Institute. [4] S. Le Masson, D. Nörtershäuser, D. Mondieig, H. Louahlia-Gualous, Towards passive cooling solutions for mobile access network, Journal of Annals of telecommunications, pp: , Numbers 3-4, Vol.67, [5] A. Samba, H. Louahlia Gualous, S. Le Masson, D. Nörtershäuser, Two-phase thermosyphon loop for cooling outdoor telecommunication equipments perimental, Applied Thermal Engineering, In Press, Accepted Manuscript, Available online 23 May [6] H. Louahlia-Gualous, B. Mecheri, D. Nortershauser, S. Le Masson, Transient characteristics of a two phase thermosyphon loop for cooling telecommunication cabinets, Proceeding of the 14th International Heat Transfer Conference IHTC14 ASME, Washington D.C., USA, [7] M. Boudouh, H.Louahlia Gualous, M. De Labachelerie, Local convective boiling heat transfer and pressure drop of nanofluid in narrow rectangular channels, Applied Thermal Engineering, vol. 30, , [8] J. Barber, D. Brutin, L. Tadrist, A review on boiling heat transfer enhancement with nanofluids, Nanoscale research letters 2011, 6:1-16. [9] A. A. Chehade, H. Louahlia Gualous, S. Le Masson, F. Fardoun, and A. Besq, Boiling local heat transfer enhancement in minichannels using nanofluids, Nanoscale Research Letters 2013, 8: (b)