GROUPE ENERGÉTIQUE

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F. MEUNIER

Exemples d'Activités de Recherche du groupe

• THEME 1- Cinétique d'adsorption
• THEME 2- Procédés à adsorption
• THEME 3- Thermoacoustique
• THEME 4- Transferts diphasiques - cryogénie

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.

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 de ce thème est de mesurer des coefficients de diffusion de masse de gaz purs en présence de traces d'eau 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 en cours d'achèvement et va donner lieu à la thèse d'A. Malka-Edery dont la soutenance est prévue au printemps 1999. Les résultats montrent que la présence de traces d'eau se traduit toujours par un ralentissement de la cinétique d'adsorption. 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 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 par interférométrie 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 grâce au soutien d'une Action Incitative du laboratoire et de l'ARC Ecodev << Adsorption séparative >>. La mise au point consiste à tester la précision de la mesure de l'indice optique. A cette fin, un faisceau laser modulé est envoyé sur l'interféromètre qui contient le gaz entres ses miroirs. Le chemin optique dans l'interféromètre 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'interféromètre. Des réglages sont en cours afin d'améliorer la modulation du faisceau ce qui permettra d'éliminer le bruit qui n'est pas à la fréquence de modulation. 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, A. Mativet, S. Szarzynski

L'objet de ce thème concerne l' étude de procédés à adsorption de vapeurs (réfrigération et captage de polluants).

Les procédés à adsorption liés à la production du froid sont toujours étudiés d'un point de vue expérimental mais la nouveauté vient du montage d'une expérience pour le captage des polluants (voir page de présentation). Rappelons que les études sur la réfrigération par adsorption au LIMSI portent sur deux types de procédés. D'une part les procédés à régénération à température uniforme dans les adsorbeurs, d'autre part les cycles à régénération à propagation de fronts de température. Cette année, ce sont les résultats du prototype à front de température qui ont été exploités (voir page de présentation). Ces résultats et analyses ont fait l'objet de la thèse de S. Szarzynski qui a été soutenue en décembre 1998. Du point de vue purement expérimental, les résultats de cette expérience sont quelque peu décevants dans la mesure où ni le COP (qui représente l'efficacité énergétique) prévu ni la puissance frigorifique visée n'ont été atteints. En revanche l'analyse fine des résultats montre que ce procédé est très prometteur dans la mesure où il permet d'obtenir des coefficients de régénération élevés et où l'on analyse très précisément d'où sont venues les difficultés rencontrées lors des tests du prototype. Des plaques de céramique qui ont été utilisées dans l'adsorbeur se sont révélées représenter des masses thermiques beaucoup trop élevées. L'amplitude thermique de ces plaques au cours des cycles avait été sous-estimée lors du dimensionnement initial. La projection des résultats obtenus à partir d'une nouvelle génération d'adsorbeur conduirait à des performances très prometteuses.

Enfin, la réflexion afin de développer des études expérimentales de procédés à adsorption pour la capture de polluants atmosphériques a abouti à la conception d'un adsorbeur pour procédé modulé en température (TSA). Le savoir faire acquis au LIMSI sur les procédés modulés en température pour la réfrigération a été utilisé pour dimensionner un adsorbeur pour le captage des polluants (voir double page). On attend de cet adsorbeur qu'il puisse avoir des temps de cycles courts (beaucoup moins qu'une demi heure) alors que généralement les temps de cycles des procédés modulés en température (TSA) sont de plusieurs heures. Cette réduction du temps de cycle s'accompagnera d'une réduction de la charge en adsorbant ce qui peut être particulièrement intéressant lorsque les adsorbants utilisés sont chers. Cette expérience est soutenue par l'ARC Ecodev << Adsorption séparative >>.

THÈME 3 : THERMOACOUSTIQUE

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

L'activité de recherche dans le domaine de la conversion d'énergie par un procédé thermoacoustique continue son développement dans l'équipe. Rappelons brièvement le principe de base du procédé qui résulte de l'interaction entre un fluide soumis à une onde acoustique et la paroi solide qui le borne. Cette paroi, placée à ses extrémités entre 2 sources de chaleur à des températures chaude (T_c) et froide (T_f), joue localement le rôle d'une distribution de sources de chaleur aux températures réparties entre T_c et T_f. L'onde provoque au sein du fluide des variations de la température périodiques dans l'espace et le temps entraînant ainsi l'interaction thermique entre le fluide et les sources de chaleur avoisinantes. Le bilan net dépend des échauffements respectifs du fluide, proportionnel à l'amplitude de l'onde de pression et de la paroi, proportionnel au gradient imposé. Lorsque le fluide reçoit de la chaleur, elle est convertie en puissance acoustique et l'amplitude de l'onde est amplifiée : on a réalisé un compresseur. Dans le cas inverse, la chaleur prélevée au fluide est conduite de proche en proche de la source froide vers la source chaude : on a réalisé un réfrigérateur.

La description simplificatrice ci-dessus, masque la problématique résultant de la finalisation du procédé vers des applications industrielles. Pour le compresseur, par exemple, le mécanisme de déclenchement et de développement de l'instabilité stationnaire au sein du fluide visqueux, le développement des non-linéarités entraînant la distorsion du signal et l'apparition d'onde de choc dans certains cas sont des phénomènes mal connus et compris. Ils limitent donc la possibilité d'obtention de fortes amplitudes nécessaires à l'application.

L'activité expérimentale s'est donc amplifiée avec un effort sur la métrologie en particulier des vitesses acoustiques. La disponibilité d'une sorte de banque de données expérimentales de qualité est en effet indispensable pour permettre la progression de la modélisation.

Parallèlement, le travail de modélisation des `` tubes '' thermoacoustiques en termes de réseau linéaire s'est concrétisé, en particulier dans le cadre de la thèse de J.V. Lubiez, avec succès et certains résultats sont présentés dans une page de présentation ci-après.

Par ailleurs, la mise au point du réfrigérateur `` Stirling '' s'est poursuivie et ses premiers pas sont attendus pour le printemps 99.

Les études actuelles dans ce thème concernent deux filières : une filière utilisant un fluide critique et une filière gaz plus traditionnelle. Le bilan comparatif de ces deux filières est en cours d'élaboration et sera présenté l'an prochain.

THÈME 4 : TRANSFERTS DIPHASIQUES - CRYOGÉNIE

M.-X. François, V.T. Nguyen, M.-C. Duluc, J. Amrit

Les études d'écoulements verticaux biphasiques d'hélium se sont poursuivies en collaboration avec le CEA Saclay. Les résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de la thèse de L. Augyrond sont en cours d'exploitation et de rédaction. Quelques exemples sont présentés dans la page de présentation ci-après.

Le plus marquant est sans conteste la mise en évidence dans le régime à bulles, de deux sous régimes l'un avec des configurations de bulles quasi sphériques et régulièrement distribuées dans l'espace, l'autre, préfigurant le régime à poches disloquées, de bulles-poches coalesçant entre elles, de plus en plus grosses.

Le deuxième résultat qui mérite le détour est la mise au point de capteur optique simple basé sur l'atténuation d'un signal lumineux par les interfaces liquide-gaz se propageant dans une section de l'écoulement. Les fluctuations de ce signal renseignent sur l'organisation spatio-temporelle des interfaces et donc des bulles dans l'écoulement. Elles présentent un maximum très aigu à la transition bulles / bulles-poches. L'analyse fine de ces fluctuations confirme l'organisation annoncée et montre sa disparition assez brutale pour l'écoulement bulles-poches.

L'étude de l'ébullition dans le fluide cryogénique azote a progressé pour le régime transitoire dans le domaine proche des densités de flux de chaleur voisine du `` peak heat flux ''. Une instrumentation d'acquisition de données rapides et de génération de `` pulses '' thermiques a donc été développée par un travail minutieux. Les premiers résultats intéressants confirment qu'un chauffage transitoire entraîne des états d'ébullition spécifiques mais différents de ceux publiés dans la littérature. En particulier, l'état stationnaire est toujours l'état limite pour des impulsions suffisamment longues. On montre également grâce au système expérimental d'inertie thermique quasi nulle, que le développement temporel de la température du solide chauffé est bien en accord avec un modèle de diffusion de la chaleur dans le liquide. L'outil expérimental développé est performant et sera utilisé dans l'eau ou d'autres fluides frigorigènes.

Le dernier sujet concerne le transfert thermique NIOBIUM supraconducteur- hélium superfluide.

L'année a été marquée par de nouvelles campagnes de mesures, des tentatives de calcul de surface effective de transfert par des moyens optiques et une réflexion théorique est en cours sur le rôle possible des rotons dans le processus de transfert.

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