GROUPE ENERGETIQUE

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F. MEUNIER

Exemples d'Activités de Recherche du groupe

• THEME 1- CARACTERISATION DES MATERIAUX
• THEME 2- CINETIQUE D'ADSORPTION
• THEME 3- PROCEDES A ADSORPTION
• THEME 4- THERMOACOUSTIQUE
• THEME 5- SYSTEMES DIPHASIQUES
• THEME 6- MODELISATION DES SIGNAUX D'EBULLITION
• COLLABORATIONS ET ANIMATION SCIENTIFIQUE

L'année 1995 a été marquée par l'intégration effective de l'ex LTF animé par le Professeur M.X. François ainsi que par le recrutement de M. G.M. Zhong comme CR1 CNRS ce qui va permettre d'une part un élargissement des activités du groupe Energétique et d'autre part un renforcement des activités de l'équipe Adsorption, notamment vers les procédés propres puisque tel est l'intitulé du poste sur lequel G.M. Zhong a été recruté.

Nous allons présenter d'abord les trois thèmes concernant l'adsorption puis les trois thèmes concernant l'équipe animée par M.X. François.

Les activités de l'équipe Adsorption ont continué à se développer avec le souci de maintenir plusieurs équilibres:

- d'une part l'équilibre entre recherche amont (poursuite des études sur la cinétique d'adsorption et lancement des études sur les équilibres de co-adsorption) et recherche plus finalisée (réalisation et tests de maquettes de faisabilité de procédés),

- d'autre part, l'équilibre entre mesures expérimentales et modélisation plus simulation numérique.

Le maintien de ces équilibres nous paraît essentiel pour la bonne orientation scientifique du groupe et nous souhaitons le conserver. Par ailleurs, bien que les recherches de l'équipe Adsorption soient largement soutenues par des contrats, nous tenons à être présents dans les grands congrès qui concernent l'adsorption et à publier dans les revues spécialisées (avec l'accord de nos bailleurs de fonds) et ce afin de nous assurer de la qualité de nos travaux. Nous allons présenter brièvement les activités les plus marquantes dans chaque thème.

THEME 1- CARACTERISATION DES MATERIAUX

J.J. Guilleminot , J.B. Chalfen, A. Choisier en collaboration avec O. Talu, D. LeVan

Depuis plusieurs années, le LIMSI s'est engagé dans une voie de caractérisation de matériaux adsorbants consolidés présentant des propriétés de transfert de chaleur fortement intensifiés. C'est ainsi que les matériaux préparés par Le Carbone Lorraine d'après un procédé mis au point en collaboration avec l'IMP de Perpignan, présentent une conductivité thermique augmentée de deux ordres de grandeur par rapport à un lit de grains d'adsorbant. Ces résultats remarquables ont permis de concevoir des procédés améliorés par rapport à la technologie traditionnelle de l'entassement en vrac de billes d'adsorbant. Cependant, la mise au point de ces matériaux continue de nécessiter des mesures de conductivités thermiques et de perméabilités (dans les deux cas, des mesures axiales et radiales sont nécessaires).

Récemment, des mesures d'isothermes d'adsorption ont été entreprises. En effet, la maîtrise des propriétés des adsorbants que l'on utilise est un point essentiel. Or, la capacité d'adsorption est la propriété de base pour les procédés d'adsorption. C'est la raison pour laquelle une thermobalance et un chromatographe en phase vapeur ont été acquis récemment. Ce matériel nous permet d'une part d'effectuer des mesures de routine sur les adsorbants que nous utilisons mais de plus il nous a permis d'entreprendre une étude originale de co-adsorption de l'eau et de l'ammoniac sur du charbon actif. (Cliquez pour en savoir plus) Cette étude qui a grandement bénéficié de la présence au LIMSI de deux professeurs américains (M.D. LeVan et O. Talu) nous permet, via l'adsorption, d'aborder le problème physique passionnant de l'association des molécules en phase vapeur et de la compétition pour l'adsorption de ces molécules. L'étude préliminaire qui a conduit à des résultats très intéressants et surprenants va être poursuivie par l'étude de la co-adsorption à base d'eau et d'autres fluides plus ou moins solubles dans l'eau. Ces résultats devraient aider à comprendre certains phénomènes physiques liés à la tension superficielle de ces fluides sur une surface de charbon actif.

THEME 2- CINETIQUE D'ADSORPTION

Ph. Grenier, L.M. Sun, D. Bisch, V. Bourdin, A. Malka

Après le travail important de validation de la technique originale mise au point au LIMSI par Ph. Grenier pour mesurer la cinétique d'adsorption, (Cliquez pour en savoir plus) des collaborations avec des laboratoires étrangers spécialistes de techniques différentes de cinétique d'adsorption ont été menées afin de s'assurer de la qualité de nos mesures. Ce travail se solde par un bilan excessivement positif puisqu'il a donné lieu à plusieurs publications remarquées dans des revues de qualité et qu'il ouvre la voie à des études originales. La technique mise au point peut encore être améliorée et dans un proche avenir, le traitement d'harmoniques d'ordre supérieur permettra d'étendre la gamme des mesures vers les cinétiques encore plus rapides. Cette technique permet d'ores et déjà de mesurer, à partir d'échantillons industriels constitués de petits cristaux, des cinétiques rapides. Ceci représente un progrès important par rapport à d'autres techniques qui requièrent d'utiliser de gros cristaux qui n'ont pas les mêmes propriétés que les échantillons industriels. Par ailleurs, ceci va nous permettre d'entreprendre des mesures sur des systèmes sur lesquels des questions se posent sur le processus physique qui gère la diffusion. C'est ainsi que des mesures de cinétique d'adsorption sur la silicalite, qui présente une structure physique complexe de canaux de diamètres différents, ont été effectuées et procurent des informations précieuses qui devraient, dans un proche avenir, nous permettre de proposer un modèle pour interpréter les transferts de masse dans ce réseau complexe. Parallèlement à cet important travail expérimental, le travail de modélisation s'est poursuivi ce qui permet au LIMSI de tenir dans ce domaine une position de pointe qui devrait se traduire dans un proche avenir par un élargissement des collaborations.

THEME 3- PROCEDES A ADSORPTION

J.J. Guilleminot, M. Pons, J.B. Chalfen, A. Mativet, F. Poyelle, S. Szarzynski

Ce sont toujours les procédés à adsorption liés à la production du froid qui sont étudiés. Rappelons que les études portent essentiellement sur deux types de procédés. Mais ni les études thermodynamiques ni les procédés de séparation ne sont oubliés

PROCEDES A TEMPERATURE UNIFORME (Récupération de chaleur)
Cette première classe de procédés (régénération à température uniforme) correspond au savoir faire développé depuis plusieurs années au LIMSI. Un nouveau prototype a été testé récemment, (Cliquez pour en savoir plus) les nouveautés introduites sur ce pilote étaient de deux ordres:

- introduction des adsorbeurs consolidés (développés dans le cadre de la collaboration avec Le Carbone Lorraine et B. Spinner à l'IMP de Perpignan) présentant des performances améliorées en termes de transferts thermiques,

- étude d'un cycle à récupération de masse et de chaleur devant conduire à des performances plus élevées.

PROCEDES A FRONTS DE TEMPERATURE (Régénération de chaleur)
Cette seconde classe de procédés nous vient des Etats Unis. Notre objectif était de valider l'intérêt de ce concept de cycle et de proposer des réalisations tenant compte de la qualité de nos matériaux. Un prototype a été testé et l'intérêt de ces cycles ne fait aucun doute. Le problème essentiel réside dans la conception de l'échangeur qui permettra de transmettre une puissance suffisante au matériau. (Cliquez pour en savoir plus)

ETUDES THERMODYNAMIQUES
Récemment, une réflexion approfondie a été menée sur les raisons pour lesquelles les cycles à adsorption présentent des performances nettement inférieures aux performances du cycle de Carnot correspondant aux températures des sources de chaleur. Pour aborder cette étude, une analyse basée sur les premier et second principes de la thermodynamique et analysant où se situent les productions d'entropie dans les cycles, a permis de montrer que les cyclages thermiques des adsorbeurs sont responsables pour environ 90% de la production d'entropie. Cette étude a également montré que les deux procédés étudiés conduisaient à des résultats relativement proches. Cette démarche devrait permettre de concevoir de nouveaux cycles aux performances améliorées.

PROCEDES DE SEPARATION
Les études de procédés de séparation à adsorption se poursuivent sur le plan numérique. La démarche suivie consiste à améliorer les modèles physiques utilisés (en introduisant la diffusion de Fick-notamment les termes croisés dus aux interactions- et les effets thermiques), ceci complique la simulation numérique et il est important de travailler pour améliorer les méthodes numériques utilisées. (Cliquez pour en savoir plus)

THEME 4- THERMOACOUSTIQUE

F. Jebali, M.X. François, J.V. Lubiez, B. Zhao

La réfrigération thermoacoustique suscite un regain d'intérêt depuis qu'il est évident que l'interdiction de l'utilisation des CFC comme fluides réfrigérants (interdits de production depuis plus d'un an) ne se passe pas sans difficultés. Ce regain d'intérêt est notamment conforté par les succès remportés par la technologie des "Tubes à Gaz Pulsé" largement utilisés dans les applications cryogéniques (essentiellement pour les très faibles puissances de la fraction de Watt ou de quelques Watts). Deux questions se posent:

-est-il possible d'envisager utiliser, avec des performances acceptables, la réfrigération thermoacoustique pour la production de froid aux alentours de la température ambiante?

- est-il possible d'envisager de réaliser des unités de puissance domestique ou même de grande puissance?

Les recherches entreprises au LIMSI, soutenues par un contrat ECOTECH, sont orientées vers l'utilisation de fluides critiques (domaine dans lequel excessivement peu d'équipes travaillent à l'heure actuelle). Elles devront permettre de répondre non seulement aux deux questions évoquées plus haut mais de plus à une question supplémentaire:

- quel est l'intérêt thermodynamique d'utiliser un fluide critique par rapport à un gaz parfait?

Ce thème nouveau qui a été soutenu, à son lancement, par une Action Incitative LIMSI progresse bien. Il devrait se développer, grâce à des soutiens d'agences de moyens, si les résultats encourageants obtenus permettent d'apporter des réponses claires aux questions encore en suspens.

THEME 5- SYSTEMES DIPHASIQUES

M.X. François, M.C. Duluc, F. Boulanger

L'activité expérimentale présentée en double-page correspond à un travail de thèse qui a été soutenue en 1994 et cette activité devrait diminuer au fur et à mesure que l'activité en thermoacoustique s'amplifiera.

THEME 6- MODELISATION DES SIGNAUX D'EBULLITION

V.T. Nguyen

Ce thème doit d'une part s'appuyer sur les résultats expérimentaux des deux thèmes précédents et d'autre part développer de façon autonome des outils qui seront mis à profit pour le très délicat problème du traitement des signaux expérimentaux d'ébullition. La pérennité de ce thème dépendra de sa capacité à être le catalyseur d'un savoir-faire et à témoigner de la qualité de sa production par des publications. Sinon, cette activité, indispensable pour le traitement des données, devrait s'intégrer dans l'un des thèmes précédents.

COLLABORATIONS ET ANIMATION SCIENTIFIQUE

L'équipe Adsorption est intégrée dans plusieurs réseaux, programmes de recherche et sociétés savantes internationales:

- le club Stelf (Stelf est un consortium animé par Elf et LCL auquel sont affiliés une dizaine de sous-licenciés européen plus un industriel coréen. Ce consortium valorise les résultats des recherches CNRS développées tant à l'IMP Perpignan par B. Spinner et son équipe qu'au LIMSI sur les matériaux consolidés à base de graphite naturel expansé). Ce consortium Stelf bénéficie de soutiens extérieurs tels le contrat GDF destiné à financer la réalisation d'une unité pilote au LIMSI.

- des réseaux européens dans le cadre de contrats CEE: deux contrats Joule (l'un sur la séparation des gaz par adsorption et l'autre sur la réfrigération par adsorption) plus un réseau CHM (Capital Humain et Mobilité) sur la réfrigération à sorption.

- un programme EUREKA animé par Le Carbone Lorraine destiné à financer notamment les études menées au LIMSI sur la réalisation d'un échangeur à changement de phase intégré dans l'adsorbeur.

- plusieurs sociétés savantes dans lesquelles des membres du LIMSI occupent des responsabilités ("International Adsorption Society", "Absorption Heat Pump Society", "Institut International du Froid"). Le LIMSI s'est vu confier la responsabilité d'organiser en France la prochaine conférence internationale "Fundamentals of Adsorption" qui se déroulera en Mai 1998.

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