Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Optimisation énergétique multi-échelles des tambours tournants

Laboratoire principal - Référent principal MAST - GPEM  -  HUCHET Florian      tél. : +33 240845775

Directeur du laboratoire principal RICHARD Patrick  -

Spécialité de la thèse génie des procédés

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Nantes

Etablissement d'inscription UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL

Ecole doctorale Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes (SIS)

Directeur de thèse prévu HUCHET Florian  -    -

Co-directeur de thèse prévu ARTONI Riccardo  -    -

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Contexte applicatif
De la fabrication du ciment à l’agroalimentaire, le tambour tournant est un équipement industriel très largement utilisé afin de réaliser diverses opérations unitaires impliquant des matériaux granulaires dont le degré de cohésion peut varier selon l’application (séchage, chauffage, torréfaction, clinkerisation, enrobage etc..) (Huchet et al., 2018).
Pour des raisons environnementales et économiques, la réduction de la consommation énergétique passe par trois leviers possibles liés à la substitution des combustibles, à la substitution des matières premières (matériaux biosourcés ou recyclés) ou à l’innovation des procédés (efficacité énergétique ou substitution des procédés). La compréhension fine des nombreux mécanismes physiques assurant ces transferts d’énergie entre les différentes phases transportées dans le tambour (Bisulandru et al., 2023), est un prérequis à ces changements de paradigme industriel en cours (Izoret, 2021).

Problématique scientifique
La modélisation de ce procédé à l’échelle macroscopique est garant du contrôle opérationnel à l’échelle industriel. Cependant, la conception de nouveaux procédés ne peut s’appuyer que sur une modélisation physique locale. Le caractère multiphasique du procédé combinant le transport de grains et les transferts de chaleur demeure un verrou majeur.
En effet, les particules circulent dans le tambour tournant en condition anisotherme. Ainsi, du point de vue thermodynamique, des changements d’états de la matière en grains s’opèrent à plusieurs échelles de temps et d’espace. Les lois générales de transport des gaz et des grains, et de transferts d’énergie gouvernent donc ces processus physiques complexes constituées : i) Des régimes d’écoulement granulaires et les paramètres de contrôle de la charge solide (Piton et al. 2015, Kozacovic et al. 2023) ; ii) Du transport de la chaleur qu’ils soient de nature conductive, convective ou radiative (Le Guen et al. 2013, Le Guen et al. 2017, Le Guen et al. 2020).
Dans le cadre de la thèse, on s’intéressera à développer des modélisations pour décrire le comportement des tambours lisses et avec releveurs ; cette dernière configuration étant un gage d’innovation pour le procédé. Ces modèles seront validés par des expériences de laboratoire combinant des mesures d'écoulement granulaire (PIV) et de la thermographie infrarouge. Il a été montré que le couplage entre les régimes d’écoulement granulaires et les transferts de chaleur est gouverné par la surface d’échange fluide/grain. Ainsi, des approches d’homogénéisation permettant une modélisations macroscopiques (de type 1D) qui demeure relativement fiables dès lors que les transferts par conduction sont négligeables devant les transferts convectifs et radiatifs. Lorsque les transferts par conduction (Grains/grains et Paroi/Grain) sont prépondérants, les modèles d’homogénéisation perdent de leur précision. Par conséquent ; des simulations numériques utilisant un couplage DEM-CFD permettraient l’analyse locale du lit granulaire, et pourraient donner l’opportunité d’estimer l’influence de la conduction effective des matériaux granulaires, notamment lorsque le tambour est muni de releveurs.
L’objectif de la thèse serait donc de mieux modéliser les transferts énergétiques ayant lieu dans et entre les releveurs du tambour tournant. Le travail de thèse sera basé sur des outils expérimentaux développés à l’échelle laboratoire et numériques.

Objectif et Moyens
Le laboratoire GPEM dispose d’une longue expérience dans les méthodes expérimentales et numériques liant les matériaux granulaires et les transferts thermiques. A l’échelle du tambour, des mesures non invasives par thermographie infrarouge sont un aspect innovant de ce travail de recherche sur le plan expérimental à l’échelle du laboratoire, comme le montre Adepu et al. (2021). L’investissement récent d’équipement de mesure (cellule en saphir) doit assurer des observations et des mesures en 2D (transversal et longitudinal) afin de les comparer à des résultats numériques. A l’échelle du grain, le suivi lagrangien par méthode optique et par méthode calorimétrique réactionnelle permettra de mieux comprendre les interactions air/grain et grains/paroi dans le tambour tournant. L’usage de l’impression 3D permettra de faciliter la mise en place de releveurs innovants dans le tambour tournant.

Profil de l’étudiant : Mécanicien des fluides et des solides, Génie thermique, Intérêt pour les méthodes expérimentales

Références bibliographiques
Adepu M., Boepple B., Fox B., Emady H. (2021). Experimental investigation of conduction heat transfer in a rotary drum using infrared thermography Chemical Engineering Science 230 116145 https://doi.org/10.1016/j.ces.2020.116145

Bisulandru J.R., Huchet F. (2022). Rotary kiln process: an overview about physical mechanisms, models and applications. Applied Thermal Engineering, 119637 https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.119637

Huchet, F., Le Guen, L., Richard, P., Piton, M., Cazacliu, B., Semelle, P., Matheus, J., Riche, H., & Tamagny, P. (2018). Influence of asphalt composition upon the thermodynamics performance of a mixing plant. Road Materials and Pavement Design, 19(1), 104–119. https://doi.org/10.1080/14680629.2016.1249018

Izoret L., Ressources minerals et ciments basse empreinte environnementale : feuille de route de l’industrie cimentière, Journée technique la SIM / CERIB (2022)

Kosakovic M., Havlica J., Le Guen L., Parez S., Huchet F. (2023). Recognition of the granular airborne portion in a flighted rotary drum. Powder Technology 425, 118565. https://dx.doi.org/10.1016/j.powtec.2023.118565

Le Guen, Huchet, Dumoulin, Baudru, & Tamagny. (2013). Convective heat transfer analysis in aggregates rotary drum reactor. Applied Thermal Engineering, 54(1), 131–139. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2013.01.025

Le Guen L., Piton M., Hénault Q., Huchet F., Richard P. (2017). Heat Convection and radiation in flighted rotary kiln : a minimal model, Canadian Journal of Chemical Engineering, 95 100-110. https://doi.org/10.1002/cjce.22659

Le Guen, L., & Huchet, F. (2020). Thermal imaging as a tool for process modelling: application to a flight rotary kiln. Quantitative InfraRed Thermography Journal, 17(2), 79–95. https://doi.org/10.1080/17686733.2019.1611222

Mots-clefs: transfert de chaleur ; écoulement granulaire ; tambour tournant avec releveurs ; mesures expérimentales

Laboratoire principal - Référent principal	MAST - GPEM - HUCHET Florian tél. : +33 240845775
Directeur du laboratoire principal	RICHARD Patrick -
Spécialité de la thèse	génie des procédés
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Nantes
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL
Ecole doctorale	Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes (SIS)
Directeur de thèse prévu	HUCHET Florian - -
Co-directeur de thèse prévu	ARTONI Riccardo - -
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé Contexte applicatif De la fabrication du ciment à l’agroalimentaire, le tambour tournant est un équipement industriel très largement utilisé afin de réaliser diverses opérations unitaires impliquant des matériaux granulaires dont le degré de cohésion peut varier selon l’application (séchage, chauffage, torréfaction, clinkerisation, enrobage etc..) (Huchet et al., 2018). Pour des raisons environnementales et économiques, la réduction de la consommation énergétique passe par trois leviers possibles liés à la substitution des combustibles, à la substitution des matières premières (matériaux biosourcés ou recyclés) ou à l’innovation des procédés (efficacité énergétique ou substitution des procédés). La compréhension fine des nombreux mécanismes physiques assurant ces transferts d’énergie entre les différentes phases transportées dans le tambour (Bisulandru et al., 2023), est un prérequis à ces changements de paradigme industriel en cours (Izoret, 2021). Problématique scientifique La modélisation de ce procédé à l’échelle macroscopique est garant du contrôle opérationnel à l’échelle industriel. Cependant, la conception de nouveaux procédés ne peut s’appuyer que sur une modélisation physique locale. Le caractère multiphasique du procédé combinant le transport de grains et les transferts de chaleur demeure un verrou majeur. En effet, les particules circulent dans le tambour tournant en condition anisotherme. Ainsi, du point de vue thermodynamique, des changements d’états de la matière en grains s’opèrent à plusieurs échelles de temps et d’espace. Les lois générales de transport des gaz et des grains, et de transferts d’énergie gouvernent donc ces processus physiques complexes constituées : i) Des régimes d’écoulement granulaires et les paramètres de contrôle de la charge solide (Piton et al. 2015, Kozacovic et al. 2023) ; ii) Du transport de la chaleur qu’ils soient de nature conductive, convective ou radiative (Le Guen et al. 2013, Le Guen et al. 2017, Le Guen et al. 2020). Dans le cadre de la thèse, on s’intéressera à développer des modélisations pour décrire le comportement des tambours lisses et avec releveurs ; cette dernière configuration étant un gage d’innovation pour le procédé. Ces modèles seront validés par des expériences de laboratoire combinant des mesures d'écoulement granulaire (PIV) et de la thermographie infrarouge. Il a été montré que le couplage entre les régimes d’écoulement granulaires et les transferts de chaleur est gouverné par la surface d’échange fluide/grain. Ainsi, des approches d’homogénéisation permettant une modélisations macroscopiques (de type 1D) qui demeure relativement fiables dès lors que les transferts par conduction sont négligeables devant les transferts convectifs et radiatifs. Lorsque les transferts par conduction (Grains/grains et Paroi/Grain) sont prépondérants, les modèles d’homogénéisation perdent de leur précision. Par conséquent ; des simulations numériques utilisant un couplage DEM-CFD permettraient l’analyse locale du lit granulaire, et pourraient donner l’opportunité d’estimer l’influence de la conduction effective des matériaux granulaires, notamment lorsque le tambour est muni de releveurs. L’objectif de la thèse serait donc de mieux modéliser les transferts énergétiques ayant lieu dans et entre les releveurs du tambour tournant. Le travail de thèse sera basé sur des outils expérimentaux développés à l’échelle laboratoire et numériques. Objectif et Moyens Le laboratoire GPEM dispose d’une longue expérience dans les méthodes expérimentales et numériques liant les matériaux granulaires et les transferts thermiques. A l’échelle du tambour, des mesures non invasives par thermographie infrarouge sont un aspect innovant de ce travail de recherche sur le plan expérimental à l’échelle du laboratoire, comme le montre Adepu et al. (2021). L’investissement récent d’équipement de mesure (cellule en saphir) doit assurer des observations et des mesures en 2D (transversal et longitudinal) afin de les comparer à des résultats numériques. A l’échelle du grain, le suivi lagrangien par méthode optique et par méthode calorimétrique réactionnelle permettra de mieux comprendre les interactions air/grain et grains/paroi dans le tambour tournant. L’usage de l’impression 3D permettra de faciliter la mise en place de releveurs innovants dans le tambour tournant. Profil de l’étudiant : Mécanicien des fluides et des solides, Génie thermique, Intérêt pour les méthodes expérimentales Références bibliographiques Adepu M., Boepple B., Fox B., Emady H. (2021). Experimental investigation of conduction heat transfer in a rotary drum using infrared thermography Chemical Engineering Science 230 116145 https://doi.org/10.1016/j.ces.2020.116145 Bisulandru J.R., Huchet F. (2022). Rotary kiln process: an overview about physical mechanisms, models and applications. Applied Thermal Engineering, 119637 https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.119637 Huchet, F., Le Guen, L., Richard, P., Piton, M., Cazacliu, B., Semelle, P., Matheus, J., Riche, H., & Tamagny, P. (2018). Influence of asphalt composition upon the thermodynamics performance of a mixing plant. Road Materials and Pavement Design, 19(1), 104–119. https://doi.org/10.1080/14680629.2016.1249018 Izoret L., Ressources minerals et ciments basse empreinte environnementale : feuille de route de l’industrie cimentière, Journée technique la SIM / CERIB (2022) Kosakovic M., Havlica J., Le Guen L., Parez S., Huchet F. (2023). Recognition of the granular airborne portion in a flighted rotary drum. Powder Technology 425, 118565. https://dx.doi.org/10.1016/j.powtec.2023.118565 Le Guen, Huchet, Dumoulin, Baudru, & Tamagny. (2013). Convective heat transfer analysis in aggregates rotary drum reactor. Applied Thermal Engineering, 54(1), 131–139. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2013.01.025 Le Guen L., Piton M., Hénault Q., Huchet F., Richard P. (2017). Heat Convection and radiation in flighted rotary kiln : a minimal model, Canadian Journal of Chemical Engineering, 95 100-110. https://doi.org/10.1002/cjce.22659 Le Guen, L., & Huchet, F. (2020). Thermal imaging as a tool for process modelling: application to a flight rotary kiln. Quantitative InfraRed Thermography Journal, 17(2), 79–95. https://doi.org/10.1080/17686733.2019.1611222
Mots-clefs:	transfert de chaleur ; écoulement granulaire ; tambour tournant avec releveurs ; mesures expérimentales

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