GROUPE ENERGÉTIQUE
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Exemples d'Activités de Recherche du groupe
INTRODUCTION
Les thèmes du groupe Energétique sont regroupés autour de deux
axes scientifiques: l'un orienté vers les applications
énergétiques et environnementales de l'adsorption (F. Meunier) et
l'autre orienté vers la thermoacoustique et la cryogénie (M.X. Frant
Les activités de l'équipe Adsorption ont été recentrées,
suite au départ de plusieurs permanents de l'équipe, autour de deux
thèmes : le thème `` Cinétique d'adsorption '' animé par Ph.
Grenier et le thème `` Procédés à adsorption '' animé
par M. Pons et F. Meunier.
THÈME 1 : CINÉTIQUE D'ADSORPTION
Ph. Grenier,
V. Bourdin, A. Malka, D. Bisch
L'objectif ce de thème est de mesurer des coefficients de diffusion de
masse de gaz purs dans les adsorbants et d'étendre cette méthode aux
mélanges binaires de gaz.
La technique originale mise au point par Ph.
Grenier au LIMSI a été utilisée pour étudier l'influence de
traces d'eau sur la cinétique d'adsorption de différents gaz
(alcanes, alcènes, dioxyde de carbone, etc.) dans la zéolithe NaX
(voir page de
présentation).
Ce travail est maintenant achevé et a donné lieu
à la thèse d'A. Malka-Edery qui a été soutenue en décembre 1999. Les résultats montrent que la
présence de traces d'eau se traduit toujours par une diminution de la
quantité adsorbée de l'autre substance ainsi que par une
légère diminution de l'enthalpie d'adsorption. Dans le cas des
alcanes, il y a toujours un ralentissement de
la cinétique d'adsorption néanmoins, dans le cas des oléfines, une
accélération de la cinétique peut être observée. Au
cours de cette étude, la présence de traces d'eau a été
traitée comme affectant les propriétés de la zéolithe mais
ce problème n'a pas été traité comme un problème de
coadsorption. Cette hypothèse est satisfaisante dans la mesure où la
pression de vapeur d'eau est très faible et où la quantité d'eau
déplacée par l'autre gaz est également très faible.
Néanmoins, de façon générale, il serait intéressant de
disposer d'un outil permettant de mesurer les cinétiques de
coadsorption. C'est pourquoi des mesures exploratoires sont menées pour
étudier les possibilités de cette technique pour la mesure de la
diffusion dans le cas de mélanges gazeux binaires.
Après avoir prospecté plusieurs voies, l'approche retenue consiste
à étendre les méthodes thermiques mises au point au LIMSI en les
dotant d'une technique de mesure optique des pressions partielles par mesure
interférométrique de l'indice optique du mélange gazeux. Le
principal handicap de cette méthode est d'une part qu'elle requiert un
investissement important et d'autre part qu'elle demande une phase de mise
au point qui sera longue. L'investissement a pu être réalisé gr
âce au soutien de l'ARC Ecodev `` Adsorption séparative ''. La mise
au point consiste à tester la précision de la mesure de l'indice
optique (voir page de
présentation). A cette fin, un faisceau laser est
envoyé sur l'interféromètre qui contient le gaz entres ses
miroirs. Le chemin optique dans l'interféromètre et donc le taux
d'interférence dépend de
l'indice du gaz qui lui-même dépend de la composition. Les tests
actuels consistent à améliorer la précision sur la mesure de la
variation de la transmission du faisceau à travers l'interféromè
tre. Par ailleurs, on travaille à définir le
protocole expérimental (plan d'expériences) afin de pouvoir extraire
l'information attendue à partir d'un nombre limité
d'expériences.
THÈME 2 : PROCÉDÉS À ADSORPTION
M. Pons,
J.B. Chalfen,
J. Bonjour (collaboration CNAM)
L'objet de ce thème concerne l'étude de procédés à adsorption de vapeurs (réfrigé
ration et captage de polluants).
Les études sur les procédés à
adsorption au LIMSI avaient, jusqu'à présent, porté
essentiellement sur l'étude de cycles fermés de
réfrigération par adsorption. Ces études sont maintenant
terminées. Deux nouvelles études de procédés sont
actuellement développées, la première porte sur un
procédé à cycle ouvert utilisant une roue adsorbante (étude
menée par M. Pons en collaboration avec l'Université de Kumamoto au
Japon). Cette première étude est détaillée
dans une page de
présentation. La seconde concerne une étude expérimentale de
procédés à adsorption pour la capture de polluants
atmosphériques sur l'air. Durant les années précédentes,
nous avions étudié un échangeur permettant de chauffer et
refroidir efficacement l'adsorbeur. L'objectif visé est double :
-pouvoir chauffer rapidement (moins d'1/2 heure) l'adsorbeur de façon
à ce que l'immobilisation de l'adsorbeur pendant sa phase de
régénération ne dure pas longtemps (ce qui conduira à des
économies de masse d'adsorbant dans le procédé final).
-pouvoir concentrer le polluant afin de pouvoir le récupérer soit
pour une utilisation ultérieure soit pour son élimination sans
dommage pour l'environnement.
Des mesures ont été effectuées sur une colonne d'un mètre de
long et de 60 mm de diamètre remplie d'Ambersorb 600. La colonne est
fortement équipée de sondes de température et les concentrations
amont et aval sont mesurées dans la phase gazeuse. L'adsorbant est chauff
é ou refroidi grâce à l'échangeur de chaleur. Le procéd
é comporte deux phases (une phase de chauffage/régénération
de l'adsorbant et une phase de refroidissement de l'adsorbant et de capture
de polluant). L'originalité du procédé repose sur la conception
de l'échangeur qui permet une régénération efficace. Des exp
ériences ont été effectuées sans polluant afin de caracté
riser le comportement thermique de l'échangeur. Ensuite des expé
riences ont été réalisées en utilisant l'éthane comme
polluant modèle dans de l'azote sec (simulant l'air), la concentration d'
éthane retenue pour les premières expériences était de 10%.
Avec cette concentration élevée, la propagation du front
d'adsorption est bien identifiée grâce aux mesures de tempé
rature à l'intérieur du lit et la courbe de perçage obtenue est
raide. Pendant la phase de régénération, une forte concentration
est obtenue car il est possible de chauffer sans circulation de gaz de
purge. Les résultats ne sont pas décrits dans une page de
présentation car
une étude de protection industrielle du procédé est en cours.
Parallèlement à ce travail expérimental, un travail de
simulation numérique des transferts dans l'adsorbeur au cours des phases
de chauffage et de refroidissement est entrepris, au CNAM, par J. Bonjour.
Ce travail sur la capture de polluant est soutenu par l'ARC Ecodev
`` Adsorption séparative ''.
M.-X. François,
F. Jebali, E. Bretagne, I. Delbende, Y. Dréau,
J.V. Lubiez
Etude et mise au point d'un réfrigérateur thermoacoustique
comprenant un compresseur thermique couplé à un
réfrigérateur pulsé alimenté par ce même compresseur.
L'activité de recherche en thermoacoustique s'est développée
dans deux directions :
1. Modélisation des systèmes de conversion d'énergie,
compresseur et réfrigérateur.
2. Expérimentations sur stations d'essais et développement de
nouvelles stations.
Les résultats obtenus dans ces deux directions, décrits dans
des pages de présentation, sont les suivants :
1. Modélisation.
Le caractère propagatif de tout système thermoacoustique conduit
à privilégier une analogie `` électro - acoustique '' pour une
description simplifiée du système. Les avantages sont très
importants puisqu'on accède relativement facilement au comportement
linéaire à une dimension du système. Les inconvénients sont
importants puisqu'on ne décrit pas son état de fonctionnement
réel, prenant en compte les effets 2D ainsi que les non
linéarités.
Cependant la complexité des différents milieux constitutifs,
`` régénérateur, échangeurs de chaleur, zones de
raccordement, coude ou Tés de couplage,.. '' oblige à une
première description simplifiée. Les résultats montrent
d'ailleurs qu'elle apporte un éclairage précieux.
Le champ acoustique obtenu dans un compresseur ou `` moteur ''
thermoacoustique est en effet le résultat du couplage coopératif
`` fluide - paroi présentant un gradient de température '' qui
engendre la déstabilisation du fluide et sa mise en oscillation
acoustique sur des modes correspondant pratiquement à ceux de la
cavité. Coopératif indique ici que la relation de phase entre la
pression et la vitesse acoustique doit être optimum, quelques 90
L'onde ainsi amplifiée, c'est-à-dire la chaleur convertie en é
nergie acoustique, est néanmoins l'objet au minimum de dissipations
visqueuses qui limitent son amplitude et finalement quand cette dernière
croît, de transferts d'énergie entre modes.
La relation de phase rappelée plus haut comme une condition né
cessaire à la conversion d'énergie, est le résultat du chemin
acoustique complet dans un milieu non isotherme et anisotrope. Elle n'est
donc pas accessible analytiquement pour l'instant et bien sûr
difficilement intuitive. En revanche, si l'on accepte de ne considérer
que le déclenchement des instabilités, zone linéaire car de
faible amplitude, la représentation à une dimension donne déj
à des renseignements très corrects. C'est donc la voie choisie pour
l'approche globale du système.
On a donc développé un modèle en termes de matrice de transfert o
ù le système acoustique est représenté comme un assemblage
de quadripôles en Té comme indiqué dans les pages de présentation
ci-après. Les éléments constitutifs sont des impédances série
traduisant les inertances et dissipations visqueuses et admittances parall
èles images de la compliance du circuit. La zone de conversion d'é
nergie, c'est-à-dire d'amplification pour le moteur ou de transfert de
chaleur pour le réfrigérateur est représentée par un terme
source de débit volumique en parallèle.
Ce modèle appliqué à un réfrigérateur piloté par un
compresseur mécanique donne de bons résultats et permet l'analyse
paramétrique des différents éléments ou paramètres de
l'ensemble. Ils ont constitué l'objet principal de la thèse de J.V.
Lubiez.
D'autre part une approche analogue a été également
développée plus orientée compresseur ou moteur thermoacoustique
avec cette fois une résolution du système par analogie avec les
oscillateurs linéaires (voir page de présentation). Le code mis au point permet
l'obtention des conditions de stabilité marginale en fonction des
paramètres pression moyenne et champ de température dans le
régénérateur, le champ acoustique étant ensuite obtenu par
une méthode de tir.
Enfin une simulation numérique directe d'un cas d'école simple mais
représentatif des structures expérimentales, a débuté,
donnant accès à une résolution 2D. Les résultats sont
prometteurs. Ils montrent aussi que la DNS en ce domaine demande
impérativement une possible comparaison avec l'expérience, ce qui
nous est heureusement possible.
En conclusion, les moyens de modélisation 1D sont maintenant disponibles
et continuent de faire l'objet d'un important effort de développement en
particulier pour une prise en compte des effets 2D et des non linéarit
és.
2. Stations d'essais
L'objectif de notre recherche est principalement le développement de
prototypes performants de compresseur et de réfrigérateur. La
réunion de ces deux systèmes est également un objectif soit pour
des applications de réfrigération domestique soit pour des
applications à plus basses températures.
L'équipe dispose à ce jour de 2 stations `` compresseur ''
fonctionnant en mode résonant, d'une station `` réfrigérateur ''
alimenté par un compresseur mécanique (voir page de présentation),
et d'un
prototype de machine de Stirling utilisant un agent fluide critique (voir
page de présentation).
Les expérimentations ont permis la détermination précise de la
courbe marginale de stabilité des 2 compresseurs et l'interprétation
des résultats au regard des théories analytiques admises qu'il a de
ce fait été possible de valider ou invalider. Elles ont
également conduit au développement de la modélisation.
Les développements actuels de ce secteur concernent :
Par ailleurs le réfrigérateur thermoacoustique a permis la premiè
re vérification de la modélisation linéaire malgré la qualit
é modeste du compresseur mécanique. Ce système reste disponible
pour des études ponctuelles de mesure de vitesse acoustique par exemple,
problème extrêmement important, ou pour des qualifications de mod
élisations de pertes de charges singulières.
Enfin, la machine Stirling de réfrigération à agent fluide
critique a connu une première campagne d'expérimentation donnant des
résultats à l'évidence perfectibles décrits dans une
page de présentation. Une nouvelle campagne est prévue au printemps 2000. L'int
érêt du procédé reste à démontrer. Une étude
semblable est conduite aux USA avec du CO2 hypercritique.
THÈME 4 : TRANSFERTS DIPHASIQUES -
CRYOGÉNIE
M.-X. François,
V.T. Nguyen,
M.-C. Duluc, J. Amrit
La spécialité de l'équipe, outre une compétence
cryogénique globale, est concentrée sur deux aspects :
Dans le premier cas, les travaux récents ont porté sur la mise au
point d'une métrologie rapide adaptée à l'étude du transfert
instationnaire engendrant la convection du liquide, l'ébullition nucl
éée ou en film. On doit souligner ici que l'utilisation d'élé
ments chauffants d'inertie thermique négligeable donne accès, pour
une topologie de source fixée, au comportement du fluide seul.
Les résultats de l'étude sont résumés dans une page de
présentation.
Ils montrent en particulier que sauf dans une zone de densité de flux de
chaleur proche du point de transition ébullition nucléée -
film, un transitoire de flux de chaleur appliqué sous forme d'un é
chelon ne provoque jamais une transition prématurée vers l'é
bullition en film. Ce résultat est important et infirme plusieurs
publications. Ce type d'étude sera réalisé avec d'autres fluides
tels que le pentane par exemple. On examine également un projet d'é
tudes d'écoulement diphasique de convection naturelle de fluide cryog
énique en régime d'ébullition nucléée de faible taux de
vide.
Dans le deuxième cas, les études des propriétés de transfert
de l'interface solide - hélium superfluide se sont poursuivies en
privilégiant la nature de la surface solide , c'est-à-dire sa
rugosité. On a utilisé des plaques de silicium en principe polies
à quelques Angströms près. Les résultats montrent une
modification très significative de la résistance thermique
d'interface, mais insuffisante pour être décrite par les
théories actuelles. Le programme expérimental de cette recherche
effectuée toujours en collaboration avec le CEN Saclay, DSM/DAPNIA/SEA,
est poursuivi dans cette direction cette année avec une grande rigueur
dans la caractérisation de la surface, ce qui est très délicat
à cette précision demandée.
RELATIONS EXTÉRIEURES
ENSEIGNEMENT ET DIFFUSION DES CONNAISSANCES
Activités ou responsabilités d'enseignement liées à la
Recherche
- M.X. François : responsable du DEA DFT pour l'université Paris VI,
- M.X. François : Enseignement de << Fluides complexes et diphasiques >>
dans le DEA DFT,
- M.X. François : Enseignement en Cryogénie en Formation Permanente,
- M. Pons : Enseignement de Thermique dans le DESS << Simulations en DFT >> de
Paris XI.
Animations de Recherches
- F. Meunier : Coordonnateur d'une ARC << Adsorption Séparative >> du
programme ECODEV
RELATIONS NATIONALES
Relations industrielles, conventions de recherche et
contrats
- F. Meunier : ARC ECODEV << Adsorption Séparative >>
- M.X. François : Convention CEA DSM DAPNIA/STCM C. Meuris
- M.X. François : Convention CEA DSM DAPNIA/SEA M. Safa
Participation à des comités de lecture
- M.X. François : Journal de Physique III, Cryogenics
Relations industrielles, conventions de recherche et
contrats
- M.X. François : Convention avec Huazhong University of Sciences
and Technology, Wuhan (Chine),
- M.X. François : Convention avec l'Université de Hong Kong
Hkust
- M.X. François : Convention avec l'Université de Baltimore
(USA)
- M.X. François : Convention avec l'Université de St Jacques de
Compostelle (Espagne)
- M. Pons : Convention avec l'Université de Kumamoto (Japon)
- M. Pons : Convention avec l'EIVD (Suisse)
Participation à des comités de lecture
- F. Meunier : Adsorption, Thermal Applied Energy
pour des ondes stationnaires, quelques degrés pour des ondes
progressives.
la mise au point d'un troisième prototype de compresseur
fonctionnant en mode progressif.
Le `` chargement '' des compresseurs par un système de
réfrigération.
Le transfert de chaleur avec changement de phase en milieu
infini ou en conduite et principalement au laboratoire en convection
naturelle.
Le transfert de chaleur dans l'hélium Superfluide soit
dans les micro - canaux, soit à l'interface solide - hélium
superfluide.
Dpt Mécanique 
Sommaire 
Présentation