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Quelques exemples d’activités autour de l’intensification des échanges thermiqu

Quelques exemples d’activités autour de l’intensification des échanges thermiques et de l’efficacité énergétique Ph. Marty Une collaboration : • LEGI (UJF/CNRS/G-INP) • LETh (CEA-Grenoble) • Institut Néel (CNRS) Plan de l’exposé Présentation des activités grenobloises Les échangeurs-réacteurs Vers une prise en compte simultanée des échanges de masse et de chaleur Intensification des échanges diphasiques Les échanges diphasiques en mini-canaux: exemple des PEMFC L’effet du mouillage Le problème récurrent de la distribution diphasique Nouveaux procédés pour le stockage de l’énergie L’exemple des fours verriers Le stockage massif de l’électricité Le stockage de l’hydrogène Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Objectifs: Intensification des transferts Développement de nouveaux procédés Secteurs concernés: Industrie & Transports Habitat Solaire Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Industrie & Transports Développement d’échangeurs compacts innovants : Echangeurs à haute et très haute température Nanofluides et nanostructuration Echangeurs-multifonctionnels pour : Procédés chimiques continus, Reformage d’H2, Biocarburants à partir de gaz (procédés GTL et BTL) Composants thermiques pour l’automobile : Optimisation de la thermique moteur, Echangeurs / automobile, Thermique des batteries pour VL hybrides et électriques Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Habitat Systèmes énergétiques dans l’habitat : Les systèmes énergétiques chaud/froid pour le bâtiment Le contrôle/commande des installations Composants thermiques dans l’habitat Les capteurs solaires thermiques Le rafraîchissement solaire Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Solaire Centrale solaire à tour (cycle à gaz à HT) : – Projet PEGASE en collaboration avec Promes – Développement et fabrication du récepteur Centrale solaire autonome de petite puissance Capteurs solaires à faible couts Stockage de la chaleur Implantation de deux centrales prototypes de 5-10 kWe Centrale solaire à concentrateur linéaire Etude d’implantation Développement capteur Fresnel Stockage de chaleur Implantation d’une centrale prototype de 50 kWe Centrale solaire à basse température Développement du capteur à Caloduc Qualification expérimentale Implantation d’une centrale pilote de 400 kWe Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Des tailles diverses: …à l’installation semi-industrielle Des fluides multiples (réfrigérants, hydrocarbures, eau, CO2) Des températures variées (-30° C, +1300 ° C) de la maquette à échelle réduite … Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Des outils numériques adaptés Re=150 Re=300 Re=500 Fluent, TRIO Prosim, Thermoptim Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Les échangeurs-réacteurs Couplage réaction chimique / température Maîtrise des transferts de chaleur : • Contrôle de la température au sein du milieu réactionnel • Meilleures sélectivités • Renforcement de la sécurité • Cinétiques accélérées Echange de chaleur et réaction au sein du même appareil Concept d’échangeur/réacteur Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Régime laminaire Comment concilier régime laminaire avec écoulement piston et intensification des transferts ? Contrainte liée au temps de séjour : • Temps de séjour suffisant pour la chimie • Appareil le plus compact possible Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Structuration bidimensionnelle De l’étude thermo-hydraulique … … au prototype Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Collaboration: LGC / ANR RAPIC Structuration bidimensionnelle Technologie validée expérimentalement et numériquement • Réaction homogène liquide exothermique • Modélisation numérique Fluent Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Structuration tri-dimensionnelle Intensification en régime laminaire (Re<500) • Advection chaotique, transformation du boulanger • Fluides visqueux Réalisation de prototypes pilotes • Echelle 1-10 L/h • 2 modes de refroidissement possibles Gray geometry Chen geometry l=0 l = 3 l = 2 l = 1 l = 4 l = 5 l = 6 l = 3 l = 2 l = 1 l = 4 l = 5 l = 6 l = number of elements Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Collaboration: LTN & Ecole Centrale de Lyon / Energie Extrapolis Intensification des échanges diphasiques: contexte des PEMFC Moteur thermique (rendmnt: 30 %) Puissance arbre : 60 kW Puissance à évacuer : 140 kW + de puissance - de potentiel d’échange 85 KW à l’échappement 10 KW convection-raynmt 45 KW@ 105 °C dans le circuit de refroidmt PEMFC (rendement 50 %) : Puissance arbre : 60 kW Auxiliaires (gestion des réactifs, etc…): 10 KW 70 KW @85 °C dans le circuit de refroidmt Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Rôle croissant de la tension superficielle Thermocouple Film chauffant 0,5 mm 0,5 mm 0,5 mm 2,6 mm 1 mm Des Des é échangeurs changeurs muti muti- -canaux canaux de petit diam de petit diamè ètre hydraulique tre hydraulique Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Illustration de l’efficacité du changement de phase Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Visualisations des configurations d’écoulement Régime à bulles Régime à bouchons Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Illustration du régime à bouchons 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0 2 4 6 8 10 12 vitesse apparente (m/s) coefficient de transfert de chaleur (W/m²/K) résultats expérimentaux Modélisation adaptée par polynômes Zone 1 Zone 2 Zone 3 Un assèchement est observé en fin de canal Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques θ θ lv σ sl σ sv σ Hydrophilic Hydrophobic θ θ Influence du mouillage sur les transferts diphasiques Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Micro-structuring Nanocoating Méthode: création de surfaces micro- ou nano-structurées Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Experimental samples 22° 31° 67° 80° 85° 104° 112° SiOx deposition TiO2 deposition Pt deposition Fe2O3 deposition Uncoated SiOC deposition Teflon deposition Hydrophilic (PHAN et al., IJHMT, 2009) Hydrophobic Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Importance du micro-angle de contact Ebullition en vase: Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Flow boiling Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques 60 µm 40 µm 60 µm 40 µm µ-SiOx : highly wetted µ-Ti : low wetted Titanium DLC SiOx Pyrex Evolution vers des surfaces fonctionnalisées Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Le problème récurrent de la distribution diphasique Echangeurs à plaques et ondes brasées étude de la distribution diphasique Ondes « serrated» 1m 1m 2000 m2/m3 Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Collaboration: Fives Cryo Sens de l’écoulement Croquis 3D du profilé de distribution diphasique Schéma du distributeur diphasique Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques L = 1 m 18 17 15 7 1 Pas de gaz dans ce canal Comparaison expérience/simulation Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques nécessité d’économiser mais aussi de stocker Le stockage de la chaleur Le stockage de la chaleur Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Evolution journalière du prix de l’énergie (Prix Powernext en €/MWh) heures cuve Les fours verriers: Les fours verriers: un stockage destin un stockage destiné é à à r ré écup cupé érer la chaleur sortante rer la chaleur sortante Régénérateurs Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Collaboration: Saint Gobain Fonctionnement périodique en deux phases: fumées et air. Le régénérateurs de fours verriers Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Rang n Rang n+1 Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Le Stockage massif d Le Stockage massif d’é ’électricit lectricité é Principe : -en heures creuses (stockage): Utiliser l’électricité pour transférer de la chaleur d’une enceinte froide vers une enceinte chaude (pompe à chaleur) - en heures de pointe (déstockage) : Récupérer cette énergie sous forme de travail pour la réinjecter sur le réseau élec.(moteur thermique) Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Collaboration: POWEO & SAIPEM / ANR SETHER Pompe Pompe à à chaleur (stockage) chaleur (stockage) Travail Travail Pompe à chaleur Moteur Moteur Rendement environ 300% Source froide Source froide Source chaude Source chaude T T° °chaud chaud T T° °froid froid Q Qchaud chaud Q Qfroid froid Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Moteur thermique (d Moteur thermique (dé éstockage) stockage) Source froide Source froide Source chaude Source chaude Q Qchaud chaud Travail Travail Moteur thermique Rendement environ 25% Machine Machine T T° °chaud chaud T T° °froid froid Q Qfroid froid Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Phase de Stockage (pompe à chaleur) Phase de Stockage Phase de Stockage (pompe (pompe à à chaleur) chaleur) Cold source Cold source Source froide Source froide Hot source Hot source Source chaude Source chaude Pompe à chaleur 500 500 ° °C C Moteur électrique Travail Travail - -70 70 ° °C C 20 20 ° °C C 1000 1000 ° °C C T T° °froid froid T T° °chaud chaud Q Qchaud chaud Q Qfroid froid Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Phase de Déstockage (moteur thermique) Phase de D Phase de Dé éstockage stockage (moteur thermique) (moteur thermique) Source chaude Source chaude Source froide Source froide Moteur thermique Générateur électrique Travail Travail T T° °chaud chaud T T° °froid froid Q Qchaud chaud Q Qfroid froid 500 500 ° °C C - -70 70 ° °C C 20 20 ° °C C 1000 1000 ° °C C Source froide Source froide Source chaude Source chaude Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Rendement global Rendement global Quelles sont les sources chaude et froide ? des empilages réfractaires Rendement global Rendement global rendement = 25% 25% COP = 300% 300% Moteur thermique PAC D Dé éstockage stockage Stockage Stockage 70% 70% Présentation Échangeurs-réacteurs Stockage Échanges diphasiques Les r Les ré uploads/Finance/ 1-jsft-echangeurs-2011-legi-cea-marty.pdf