ANR Project -23-CE51-0052-001

COOLISSE

Biomimetic anti-ice surfaces for eco-efficient ice slurry generators

  • Résumé en Français:

La réfrigération secondaire est un moyen efficace de réduire drastiquement la quantité de fluide frigorifique primaire utilisé. Cette méthode améliore l’efficacité énergétique via le stockage et le transport de fluides secondaires à forte densité énergétique. Ces coulis de glace, composés de cristaux de glace en suspension dans une solution aqueuse, ne sont malheureusement pas encore répandues en raison du surinvestissement lié aux générateurs de type surface raclée. Dans ce cadre, le projet COOLISSE, consiste à participer à la modernisation du secteur de la réfrigération en concevant de nouveaux types de générateurs de coulis de glace. Il s’agit donc développer des surfaces en acier inoxydable où la glace formée sera emportée par l’écoulement du fluide, sans nécessiter de raclage mécanique.

Ces surfaces biomimétiques micro/nanostructurées non mouillantes, dotées de propriétés antigivre, seront obtenues par combinaison de deux procédés originaux : fabrication additive (production de microstructures) et ablation laser femtoseconde (rugosité nanométrique), qui amèneront à une surface en acier inoxydable texturée multi-échelles. Ces surfaces seront imprégnées par un liquide inerte afin d’obtenir une surface infusée glissante (SLIPS). Le second objectif du projet est de développer des méthodes et une expertise sur la caractérisation de ces surfaces sous écoulement à basse température. Le potentiel de ces surfaces antigivre sera étudié au travers de leurs actions sur la formation de glace, en analysant le temps de congélation, la force d’adhésion et la nucléation en cours de congélation. En parallèle, un modèle numérique sera développé pour décrire l’état d’équilibre thermique, le flux de chaleur et les changements d’interface gaz-solide-liquide pendant la congélation et le changement de phase.

L’impact environnemental et le gain potentiel de ces nouvelles surfaces sur le processus de fabrication de coulis seront également étudiés par une analyse de leur cycle de vie.

Surfaces anti-givre sans racleur en acier inoxydable, a) Exemple de surface multitexturée et imprégnée, b) Non-adhésion de la glace sur les surfaces imprégnées par rapport à l’adhérence de la glace sur une surface non traitée.

Version Anglaise

Title : Biomimetic Anti-Icing surfaces for eco efficient ice-slurry generators

  • Résumé en Anglais:

Secondary refrigeration is an effective way to drastically reduce the quantity of primary refrigerant fluid used while improving energy efficiency by storing and transporting energy-dense secondary fluids. These ice slurries, composed of ice crystals suspended in an aqueous solution are unfortunately not yet widespread because of the over-investment related to scraped surface or supercooling type generators. Within this COOLISSE project, our objective is thus to participate in the modernisation of the sector refrigeration by designing new type of ice slurry generators. Our aim is therefore to develop stainless steel surfaces where formed ice could be carried away by the fluid flow, without the need of any mechanical scraping.

These original non-wetting micro/nanostructured surfaces, inspired from nature, with anti-icing properties will be obtained by a combination of two original and efficient processes: additive manufacturing (to yield micro-structures) and femtosecond laser ablation (to reach nanometer scale roughness) that will allow obtaining a multiscale and very dense textured stainless steel surface.  These surfaces will be then infused by inert liquid in order to obtain slippery infused surface (SLIPS). The second objective of the project is to develop methods and expertise on the surface characterization under flow at low temperature [-15°C to 0°C]. The potential in anti-icing applications of the designed surfaces will be proven by investigating their action mechanisms on ice formation, analysing the freezing time, adhesion strength and nucleation in the freezing process. In parallel a comprehensive numerical method will developed to describe the thermal equilibrium state, heat flux and gas-solid-liquid interface changes during freezing and phase change.

The environmental impact and potential gain of these new surfaces on slurry fabrication process will also be compared to traditional processes using multiple criteria analyses like Life Cycle Analysis

Scraperless stainless steel anti-ice surfaces, a) Example of a multi-textured and impregnated surface, b) Non-adhesion of ice on impregnated surfaces compared with the adhesion of ice on an untreated surface.

Partners

Institut d’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie, IEMN

Coordinateur : Xavier Wallart

UMET – UMR 8207. https://umet.univ-lille.fr/

Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes (LTDS – UMR 5513).
https://www.entpe.fr/laboratoire-de-tribologie-et-de-dynamique-des-systemes-ltds

Génie des Procédés FRIgorifiques pour la Sécurité alimentaire et l’Environnement (Frise – INRAE – UR 1460), https://frise.jouy.hub.inrae.fr/

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