GROUPE ENERGETIQUE
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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 de l'adsorption (F.Meunier) et l'autre orienté vers la thermoacoustique et l'ébullition (M.X.François). Nous allons présenter d'abord les thèmes concernant l'adsorption puis les thèmes concernant la thermoacoustique et l'ébullition. Ces différentes activités scientifiques sont généralement menées avec un soutien financier extérieur (soit une agence de moyens française ou européenne soit un partenaire industriel). L'équipe Adsorption a, depuis longtemps, tissé de nombreux liens contractuels avec des partenaires industriels ce qui se traduit, inéluctablement, par une orientation de ses recherches vers des thématiques proches des préoccupations des industriels. Il n'est donc pas étonnant, dans ces conditions, que la mobilité de ses chercheurs vers l'industrie en soit facilitée. Par ailleurs, pour une équipe qui a de nombreuses relations internationales, il est normal que cette mobilité n'ait pas de frontières. C'est ainsi que deux Chargés de Recherche de première classe ont infléchi leur carrière afin d'aller travailler dans l'industrie. Le premier, L.M. Sun est détaché à l'Air Liquide depuis un an alors que le second, G.M. Zhong, a démissionné du CNRS pour rejoindre un industriel américain Praxair (l'un des leaders mondiaux, avec l'Air Liquide de la préparation des gaz). Ces deux départs vont, dans l'immédiat, affaiblir le potentiel de l'équipe Adsorption essentiellement dans sa composante simulation numérique. Néanmoins, ces départs ne vont pas affecter le potentiel expérimental de l'équipe Adsorption.
THÈME 1 : CARACTÉRISATION DES MATÉRIAUX ADSORBANTS
J.J. Guilleminot, A. Choisier, J.B. Chalfen
Les mesures d'isothermes d'adsorption se poursuivent. Les caractérisations de matériaux consolidés ont été suspendues puisque les matériaux mis au point ces dernières années ont été utilisés sur des maquettes de laboratoires dont les résultats seront présentés plus loin. Les travaux effectués dans le cadre de ce thème concernent maintenant les mesures d'adsorption de mélanges gazeux binaires. 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'un deuxième gaz pouvant être l'ammoniac, le dioxyde de carbone ou le n-butane. En ce qui concerne la coadsorption d'ammoniac, on observe que la présence d'eau renforce fortement l'adsorption ce qui suggère une forte interaction des deux espèces (Page de présentation). En ce qui concerne le dioxyde de carbone, on n'observe aucun effet similaire. Enfin, les expériences effectuées avec le n-butane semblent suggérer que des phénomènes de déplacement pourraient exister et que le résultat final dépendrait de la procédure expérimentale mise en oeuvre. Des efforts sont faits pour améliorer la qualité de l'installation expérimentale pour élucider ces problèmes.
THÈME 2 : CINÉTIQUE D'ADSORPTION
Ph. Grenier, A. Malka, D. Bisch
La technique originale mise au point par Ph. Grenier au LIMSI a été récemment améliorée grâce au traitement d'harmoniques d'ordre supérieur (Page de présentation). 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 sont menées pour étudier les possibilités de cette technique pour la mesure de la diffusion dans le cas de mélanges gazeux binaires. Deux voies sont prospectées par le LIMSI en vue de la détermination des coefficients de diffusion de mélanges gazeux binaires. La première démarche consiste à utiliser la méthode basée sur la thermométrie IR couplée à un échelon de volume (ou de pression) développée au LIMSI pour analyser la composition de la masse adsorbée suite à l'échelon de volume (ou de pression). Ceci est possible dès lors que l'on connaît l'évolution de la pression totale et de la température à condition que les chaleurs molaires d'adsorption des deux corps purs soient différentes. Des expériences ont été effectuées avec le mélange gazeux SF6-CO2. L'analyse des résultats obtenus pour un mélange équimolaire (Voir Page de présentation) montre que l'on peut effectivement déterminer la composition de la masse adsorbée suite à l'échelon; dans ce cas précis, c'est essentiellement du SF6. Ceci prouve que cette méthode peut être utilisée, néanmoins ceci nous permet également de bien cerner les limites de cette méthode. En effet, par cette méthode, il n'est pas possible de connaître la composition de la phase adsorbée. Pour la connaître, il faudrait connaître la composition de la phase gazeuse. C'est justement l'objet de notre seconde approche qui consiste en effet à étendre la méthode de réponse en fréquence en la dotant d'une technique de mesure optique des pressions partielles. La technique de mesure des pressions partielles retenue est une mesure de l'indice optique du mélange gazeux. Une expérience de tests préliminaires consistant à étudier la stabilisation d'un faisceau laser a été effectuée. Les bons résultats obtenus nous permettent de poursuivre dans cette voie afin de développer cette technique optique de mesure des pressions partielles. C'est sur cette méthode, particulièrement prometteuse, que nous allons concentrer nos efforts pour la suite du programme. Le seul 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.
THÈME 3 : PROCÉDÉS À 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 d'un point de vue expérimental. Néanmoins, des études de procédés pour le captage de polluants atmosphériques commencent. Le domaine de la réfrigération par adsorption représente une alternative réelle à la compression de vapeur. Les enjeux économiques sont importants, ce qui explique que ce soit un domaine où les publications sont rares et où, en revanche, il y a beaucoup de brevets. A cet égard, la position du LIMSI est intéressante car le laboratoire est présent au niveau des brevets grâce à ses collaborations industrielles mais de plus, il est très fortement présent au niveau des publications.
Rappelons que les études sur la réfrigération par adsorption au LIMSI portent sur deux types de procédés. D'une part les procédés à à température uniforme dans les adsorbeurs (récupération de chaleur) (Page de présentation) , d'autre part les cycles à fronts de température dans les adsorbeurs (régénération de chaleur) (Page de présentation). Deux prototypes ont été conçus et réalisés. Le premier prototype (procédé à température uniforme dans les adsorbeurs) contient du matériau consolidé par mélange (Page de présentation). Le second prototype (procédé à température non-uniforme dans les adsorbeurs) a été réalisé à partir de la nouvelle génération d'adsorbants (matériau feuilleté) et les expériences effectuées cet automne sont en cours d'analyse (Page de présentation).
En ce qui concerne les résultats et l'avenir de nos recherches dans ce domaine, il faut reconnaître que les résultats obtenus sur les deux pilotes ne correspondent pas exactement aux objectifs très ambitieux fixés. Le LIMSI sera présent dans un nouveau contrat Joule de la CEE. Il s'agira de tirer tous les nombreux enseignements sur ces résultats afin de pouvoir effectuer les progrès qui restent à faire. 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 (Voir page de présentation). Les résultats en chauffage (condensation de vapeur d'eau surchauffée) aussi bien qu'en refroidissement (ébullition d'eau liquide) conduisent à des coefficients globaux de transfert de chaleur remarquables. Le résultat particulièrement intéressant (voir page de présentation) est que le recours à des modèles physiques permettant de décrire les transferts de chaleur conduit à des corrélations rendant compte de façon très satisfaisante de l'ensemble des résultats expérimentaux.
Enfin, la réflexion se poursuit 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 ainsi que les expériences d'intensification des transferts thermiques dans un adsorbeur. En effet, pour le captage de polluants atmosphériques, les procédés à adsorption modulés en température et en pression sont prometteurs. Le savoir faire acquis au LIMSI sur les procédés modulés en température pour la réfrigération devrait pouvoir être facilement transposé pour le captage des polluants.
M.-X. François, F. Jebali, B. Zhao, J.-V. Lubiez, X. Deng
Par thermoacoustique, on entend ici le couplage onde de pression - source de chaleur. On peut montrer en effet qu'une onde acoustique se propageant dans un milieu fluide permet une interaction thermique entre le fluide et la paroi voisine sur des épaisseurs de l'ordre de grandeur de l'épaisseur de peau thermique. Ce processus conduit à des effets différents que l'on peut classer en deux catégories pour simplifier :
* lorsque le gradient longitudinal de température dans la paroi mouillée par le fluide est inférieur à une valeur critique, l'interaction résultante est un transport longitudinal de chaleur de la source froide vers la source chaude. On réalise ainsi un pompage de la chaleur.
* lorsque ce même gradient est supérieur à la dite valeur critique, l'interaction se traduit cette fois par une amplification très forte de l'amplitude de l'onde et un petit transfert de chaleur inverse du précédent. Ce phénomène, consécutif à l'apparition d'une instabilité dans le milieu, est en pratique susceptible d'apparaître spontanément. Bien connue des cryogénistes et des souffleurs de verre, la conversion d'énergie thermoacoustique est apparue récemment (1985) comme une alternative possible aux procédés classiques de réfrigération à compression de vapeur.
Les points forts de la démarche peuvent se résumer ainsi:
* le champ acoustique auquel est soumis le milieu de conversion jouant un rôle décisif (relation de phases pression vitesse) dans le rendement de la conversion d'énergie, le système global est vu et analysé comme une ligne de transmission acoustique. Cette modélisation linéaire permet une première approche des résultats. Elle donne en particulier un outil très puissant pour simuler et comprendre l'incidence des géométries d'échangeurs et de régénérateur sur le champ acoustique et donc la conversion elle-même. Cette approche se développe prioritairement. Elle sera associée prochainement à une expérimentation numérique déjà abordée en1995 dans le cadre d'un DEA.
* quatre études et objectifs expérimentaux sont menés en
parallèle :
a/ mesure des impédances acoustiques de régénérateur
(Page de présentation)
b/ le compresseur gaz, tube résonnant
c/ le réfrigérateur gaz tube résonnant et progressif
(Page de présentation)
d/ le réfrigérateur fluide critique sur un mode Stirling
Les programmes actuels prévoient de mener à son terme la préétude du système fluide critique, en bonne voie, après de délicats problèmes technologiques. On insistera par ailleurs, pour répondre à l'intérêt du secteur industriel, sur la filière gaz et l'étude des systèmes couplés b et c. Le succès de ces études repose en particulier sur une bonne compréhension du comportement du fluide et de l'interaction en régime acoustique fortement non linéaire.
THÈME 5 : TRANSFERTS DIPHASIQUES - CRYOGÉNIE
M.-X. François, V.T. Nguyen, M.-C. Duluc, J. Amrit
Les écoulements diphasiques cryogéniques ont continué de faire l'objet de travaux conséquents conduisant à des résultats originaux. Comme dans le passé ils sont menés dans une coopération avec le CEA Saclay, et plus particulièrement avec les services d'études des accélérateurs(SEA) et des techniques de cryogénie et magnétisme(STCM).
Les quatre directions sont :
* l'étude des ébullitions de transition sur des fils fins et dans l'azote et
l'hélium liquide (normal ou superfluide). Les résultats les plus récents sont
donnés plus loin
(et page de présentation).
* l'étude des écoulements verticaux et diphasiques d'hélium bouillant.
La contribution de l'équipe, principalement associée à la direction d'une
thèse et à l'analyse des signaux expérimentaux est rapportée
également ci-après dans une page de présentation. Les méthodes utilisées
conduisent à la caractérisation des écoulements à bulles et des transitions au
travers des fluctuations d'une intensité lumineuse traversant
l'écoulement
(Page de présentation).
* l'étude du transfert de chaleur dans des milieux lamellaires poreux à
l'hélium superfluide. La métrologie disponible au laboratoire permet la
détection de très faibles différences de température (quelques
microdegrés) dues à la présence de vortex dans les écoulements de la phase
superfluide. On a pu ainsi établir les lois de comportement thermique de ces milieux
mixtes solide-hélium. L'activité qui se poursuit doit permettre de porter la
métrologie au voisinage du point de transition de l'hélium et affiner
l'interprétation du comportement observé
(Page de présentation).
* l'étude du transfert thermique entre un solide supraconducteur et l'hélium
superfluide réalisée expérimentalement au laboratoire conduit à une
meilleure connaissance de ces phénomènes connus sous le vocable <<résistance
de Kapitza>>. Les résultats récents sont rapportés
ci-après.
Activités ou responsabilités d'enseignement liées à la Recherche
Conventions de recherche et contrats
Participation à des comités de lecture
Animation de Conférences et Séminaires
Participation à des comités de lecture
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