GROUPE ENERGETIQUE

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F. MEUNIER

Exemples d'Activités de Recherche du groupe

INTODUCTION

Depuis l'intégration au LIMSI de l'équipe animée par M.X. François, le groupe Energétique comprend six thèmes regroupés autour de deux axes scientifiques : l'un orienté vers les applications énergétiques de l'adsorption et l'autre orienté vers la thermoacoustique et la cryogénie. Nous allons présenter d'abord les thèmes concernant l'adsorption puis les thèmes concernant la thermoacoustique et la cryogénie. Ces différentes activités scientifiques sont généralement menées avec un soutien financier extérieur (soit une agence de moyens française ou européenne soit un partenaire industriel).

THÈME 1 : CARACTÉRISATION DES MATÉRIAUX ADSORBANTS

J.J. Guilleminot, A. Choisier, J.B. Chalfen, G.M. Zhong

L'objet de ce thème est double puisqu'il concerne, d'une part, la mise au point de matériaux adsorbants présentant des bonnes propriétés de transferts de masse et de chaleur, et, d'autre part, la mesure des isothermes de coadsorption pour des mélanges gazeux présente de l'intérêt pour les études de procédés menées dans le groupe.

L'avantage des réacteurs solide-gaz constitués de matériaux granulaires est généralement de posséder de grandes surfaces de contact avec la phase gazeuse et donc potentiellement de bonnes propriétés de transferts de masse. Leur inconvénient est généralement de présenter de faibles coefficients de transfert de chaleur avec une surface métallique. Dans ce thème, l'objectif est de réaliser des adsorbeurs présentant à la fois de bons coefficients de transferts de masse et de chaleur. Pour cela, nous avons étudié plusieurs voies d'adsorbeurs consolidés. C'est ainsi que Le Carbone Lorraine prépare, à partir d'adsorbants standard, des matériaux qui 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 a fait apparaître des résistances au transfert de masse. Afin de résoudre cette difficulté liée au transfert de masse, un nouveau matériau feuilleté a été mis au point et un brevet a été déposé. Les mesures d'isothermes d'adsorption se poursuivent. Initiées pour l'utilisation de mélanges pour la réfrigération par adsorption, ces mesures d'isothermes de coadsorption évoluent pour la capture de polluants atmosphériques en vue d'assurer la qualité de l'air. Pour l'instant, nous avons centré notre effort sur un problème excessivement délicat : celui des isothermes de coadsorption d'eau et d'une molécule fortement adsorbable sur du charbon actif. Des résultats intéressants ont été obtenus sur la coadsorption d'eau et d'ammoniac ou de dioxyde de carbone.

THÈME 2 : CINÉTIQUE D'ADSORPTION

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

La mesure des coefficients de diffusion de masse en cours d'adsorption ainsi que la discrimination des effets limitant la cinétique d'adsorption sont des préoccupations importantes dans les procédés à adsorption. Les études menées dans ce thème contribuent au progrès des connaissances dans ce domaine, d'une part en développant une méthode originale de mesure des coefficients de diffusion, et d'autre part, en mesurant des coefficients de diffusion.

La technique originale mise au point par Ph. Grenier au LIMSI a été récemment améliorée grâce au traitement d'harmoniques d'ordre supérieur. Cette technique permet 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. Le programme expérimental actuel porte sur des mesures systématiques de séries de molécules présentant des tailles différentes ainsi que des propriétés d'adsorption voisines ou au contraire très différentes. Ces mesures devraient permettre de corréler la diffusion à la taille des molécules et à l'affinité avec l'adsorbant. De plus, des mesures exploratoires vont être menées pour étudier les possibilités de cette technique pour la mesure de la diffusion dans le cas de mélanges gazeux binaires. Enfin, l'utilisation d'une méthode de diffusion avec modulation de volume a été testée numériquement. Dans une telle méthode, on utiliserait deux chambres séparées par le système à étudier. Cette méthode serait tout particulièrement adaptée pour mesurer la diffusion dans des membranes. Ce concept demande encore à être validé expérimentalement.

THÈME 3 : PROCÉDÉS À ADSORPTION

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

Ce sont toujours les procédés à adsorption liés à la production du froid qui sont étudiés d'un point de vue expérimental dans ce thème. Néanmoins, des études numériques de séparation des gaz se sont poursuivies et des études de procédés pour la capture de polluants atmosphériques commencent. Rappelons que les études sur la réfrigération par adsorption portent sur deux types de procédés. D'une part les procédés à température uniforme dans les adsorbeurs (cycles à double effet), d'autre part les cycles à propagation de fronts de température (cycles à régénération de chaleur). Deux prototypes ont été conçus et réalisés. Les tests sur le premier prototype (procédé à température uniforme dans les adsorbeurs) sont terminés. A noter le fait, nouveau dans ce domaine, que les résultats expérimentaux sont analysés non seulement en termes de premier principe mais également en termes de second principe de la thermodynamique. Les résultats sont excellents en ce qui concerne les transferts de chaleur, néanmoins les limitations apparues en ce qui concerne les transferts de masse n'ont pu être totalement levées avec le matériau utilisé. On pense que le nouveau matériau feuilleté devrait résoudre ce problème. Le second prototype a été réalisé à partir de la nouvelle génération d'adsorbants (matériau feuilleté). Les expériences sont en cours actuellement et les premiers résultats sont très prometteurs. Dans notre démarche d'intensification des coefficients globaux de transfert thermique dans un adsorbeur, il est apparu que l'échange du côté fluide caloporteur devenait limitant dès lors que l'on améliorait l'échange du côté adsorbant. C'est la raison pour laquelle une cellule expérimentale permettant d'étudier les échanges en double phase avec un fluide caloporteur a été conçue, construite puis testée. Les résultats en chauffage (condensation de vapeur d'eau surchauffée) conduisent à des coefficients globaux de transfert remarquables. Le résultat particulièrement intéressant est que le recours à un modèle physique permettant de décrire le transfert de chaleur conduit à une corrélation unique rendant compte de façon très satisfaisante de l'ensemble des résultats expérimentaux. Récemment des résultats ont également été acquis dans la phase de refroidissement de la cellule expérimentale (vaporisation d'eau liquide), là encore, des coefficients d'échange remarquablement élevés sont obtenus et la recherche d'une corrélation est en cours. Cette année, le concept d'utilisation de mélanges de fluides pour la réfrigération par adsorption a été testé. Les conditions d'un fonctionnement cyclique ont été définies. La suite du programme consistera à choisir un mélange pour le simuler et ensuite à le tester sur l'un des pilotes existant au laboratoire. Les études de procédés de séparation à adsorption se sont poursuivies sur le plan numérique. La démarche suivie a consisté à améliorer les modèles physiques utilisés (en comparant notamment différents modèles pour la diffusion de mélanges et en examinant soigneusement les termes croisés dus aux interactions) sans oublier bien entendu les effets thermiques. Ceci complique la simulation numérique et il est important de travailler pour améliorer les méthodes numériques utilisées. Enfin, récemment, une réflexion a été menée afin de développer des études expérimentales de procédés à adsorption pour la capture de polluants atmosphériques. Les mesures des isothermes de coadsorption représentent une étape dans cette démarche.

THÈME 4 : THERMOACOUSTIQUE

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

L'objet de ce thème est la mise au point et l'étude d'un réfrigérateur thermoacoustique comprenant un compresseur thermique couplé à un réfrigérateur pulsé alimenté par ce même compresseur.
Ce thème, en développement depuis 1993, concerne la conversion d'énergie par une méthode thermoacoustique. Ce procédé propre fait partie de l'une des voies possibles pour les nouvelles générations de réfrigérateur et climatiseur. Le LIMSI a abordé l'étude avec une double originalité :
- 1. l'ensemble du système est considéré comme une ligne de transmission acoustique et chaque partie est vue comme un élément de ligne c.a.d un quadripôle caractérisé par ses impédances série, parallèle, d'entrée et de sortie...
On a donc une approche globale qui permet les accords de phase dont dépend la conversion d'énergie et une possibilité de similitude acoustique entre les éléments réels complexes et des structures idéalisées ou simplifiées ;
- 2. pour obtenir des puissances importantes et des rendements acceptables, on choisit comme agent de transformation le fluide critique.

Les travaux présentés concernent le point 1 ; la réalisation d'une station de mesure d'impédance acoustique constitue une première contribution substantielle à l'étude et représente la thèse de Bosen ZHAO qui sera soutenue en 1997. Parallèlement on a utilisé la filière gaz et mis au point un prototype de compresseur thermoacoustique. Ce système en cours d'étude approfondie a une double vocation :
-étudier et comprendre la thermoacoustique non-linéaire;
- servir de source au réfrigérateur gaz en développement.
Le thème dans sa partie fluide critique est soutenue par la DRET

THÈME 5 : TRANSFERTS EN CRYOGÉNIE

M.X. François, J. Amrit, M.C. Duluc,

Les activités concernant l'ébullition dans les fluides cryogéniques continuent de faire l'objet d'études et sont dans une phase d'exploitation de résultats et rédaction de publications. On a ainsi mesuré et modélisé l'énergie d'évaporation, dans une configuration bain , autour d'un fil cylindrique horizontal et mis en évidence le transfert possible d'un excès d'énergie communiqué au gaz dans des transitions lentes, en tension ou courant contrôlés. D'autre part les études expérimentales effectuées à Saclay sur les écoulements verticaux d'hélium diphasiques avec pour objectif la détermination des configurations et des transitions entre configuration se sont poursuivies. Parallèlement, l'activité transfert de chaleur en cryogénie se poursuit également de façon contractuelle avec le C.E.A. Le LIMSI réalise la métrologie des transferts de chaleur dans deux cas différents :

-Résistance de Kapitza pour les cavités supraconductrices en Niobium.

-Conductibilité thermique équivalente des isolations électriques poreuse à l'hélium superfluide. Les mesures extrêmement fines au microdegré près, ont permis de caractériser et de modéliser le comportement de tels systèmes thermiques complexes.

THÈME 6 : MODÉLISATION DES SIGNAUX DIPHASIQUES ET THERMOACOUSTIQUES

N.T. Nguyen, M.X. François

Ce thème est sous-jacent aux deux thèmes précédents. Sa principale motivation est l'apport d'un savoir-faire dans le domaine de l'application des méthodes récentes en Traitement Numérique du Signal à l'étude et à l'analyse des signaux expérimentaux obtenus dans des systèmes diphasiques et thermoacoustiques. Il doit son originalité à l'effort réalisé pour associer complètement l'acteur du traitement du signal et l'expérimentateur qui prend l'information expérimentale. En particulier, on a obtenu une caractérisation spécifique du phénomène d'ébullition en bain et de l'interface liquide-vapeur hélium superfluide par modélisation paramétrique (modélisation AR avec utilisation de la méthode de covariance modifiée et l'algorithme rapide de Marple). D'autre part, dans une collaboration avec le CEA/DAPNIA/STCM (convention de recherche), on a procédé récemment à la modélisation et à l'analyse des signaux issus de l'atténuation lumineuse aléatoire générée par des écoulements verticaux diphasiques liquide-gaz (hélium) . Les résultats présentés dans les activités de recherche sont très encourageants, ils doivent être confirmés dans l'année 1997, pour permettre de conclure positivement sur le développement du thème à l'avenir.

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