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Progrès en matière de transfert de chaleur et de masse dans les procédés à l’échelle microscopique basés sur le gaz

Il est bien connu que la minimisation des résistances au transfert de chaleur et de masse entraîne une augmentation considérable des capacités de transport correspondantes. Cependant, il existe encore des lacunes importantes dans notre connaissance des processus de transfert de chaleur et de masse à l’échelle microscopique.

Technologies industrielles
Énergie

Le projet MIGRATE, financé par l’UE, a abordé les défis actuels de l’innovation auxquels est confrontée l’industrie européenne en matière de transfert de chaleur et de masse dans les procédés à micro-échelle basés sur le gaz. Il s’agit notamment de la modélisation des processus et des dispositifs de transfert de chaleur, ainsi que du développement et de la caractérisation de capteurs et de systèmes de mesure pour le transfert de chaleur dans les flux gazeux, et de micro-séparateurs de gaz à commande thermique pour les dispositifs à micro-échelle destinés à améliorer la récupération de la chaleur. Le développement de micro-analyseurs de gaz compacts nécessite une compréhension approfondie du comportement thermique instable du flux de gaz avec des effets de compressibilité non négligeables, ainsi que des effets associés à l’adsorption/désorption et au transfert de chaleur longitudinal et transversal. Des capteurs intégrés sont également nécessaires pour fournir des boucles de rétroaction rapides pour le contrôle optimisé des processus, ce qui permet d’obtenir un meilleur rendement thermique et de réduire la demande en ressources.

Des approches innovantes de modélisation

Les chercheurs ont donc mis au point plusieurs nouvelles méthodes de modélisation et des descriptions précises du transfert de chaleur par microflux de gaz dans des dispositifs miniaturisés, y compris le contact gaz-liquide et la transition de phase. Ils ont également conçu plusieurs méthodes de mesure et un capteur de pression sans fil miniaturisé à une plage plus grande, ainsi qu’un capteur miniaturisé de température et de flux thermique pour les flux gazeux à base de particules thermochromiques. La plage du capteur de pression sans fil allait d’un vide extrême à une pression élevée, une plage qui n’est normalement observée que lorsque plusieurs capteurs sont utilisés en conjonction. En outre, MIGRATE a construit différents types de capteurs optiques ultraviolets pour la quantification des composés organiques volatils (COV). Plusieurs systèmes de capteurs pour les COV basés sur l’effet photoélectrique, les effets de photo-ionisation dans les liquides et le contact gaz-liquide ont été développés et testés. «C’est important pour les futures analyses environnementales, car l’UE a considérablement réduit les limites autorisées dans l’échantillonnage de la qualité de l’air», nous dit Jürgen Brandner, coordinateur du projet. Par ailleurs, le projet a permis de créer ou d’améliorer des modèles mathématiques pour décrire le transfert de chaleur, le contact gaz-liquide et la transition de phase, qui sont maintenant prêts à être utilisés. «De plus, un modèle de séquence réduit pour l’amélioration du transfert de chaleur et la perturbation des flux dans des échangeurs de chaleur à gaz très efficaces a été développé et appliqué avec succès. Les dispositifs d’échangeurs de chaleur correspondants ont été construits et testés pour les turbines à gaz à haute température, ce qui pourrait être utile pour de futures applications énergétiques», explique Jürgen Brandner.

Des connaissances plus approfondies

MIGRATE a permis de mieux comprendre les performances du transfert de chaleur à l’échelle microscopique et a développé et caractérisé des dispositifs d’échange de chaleur gaz-gaz à haute performance pour des applications énergétiques décentralisées et la récupération d’énergie à partir de la chaleur résiduelle, entre autres. En outre, les scientifiques pourront profiter des améliorations apportées à la modélisation et aux nouveaux codes de simulation, ainsi que des nouvelles conceptions de systèmes et de dispositifs microfluidiques. La mise en œuvre des capteurs environnementaux développés par MIGRATE permettra également de surveiller les COV, ce qui profitera à la société dans son ensemble. «Les dispositifs miniaturisés joueront un rôle clé dans les applications industrielles et les systèmes de transport futurs ainsi que dans la reconception des processus existants, qui vont des technologies industrielles aux équipements personnels», souligne Jürgen Brandner. Enfin, l’association de la recherche universitaire, des PME et des principaux acteurs industriels mondiaux dans le cadre de cette initiative contribuera de manière significative à améliorer les connaissances sur les problèmes de transfert de chaleur des flux gazeux à micro-échelle et sur les applications industrielles des dispositifs miniaturisés à haut rendement. Cette étude a été entreprise avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie.

Mots‑clés

MIGRATE, transfert de chaleur, miniaturisé, transfert de masse, composés organiques volatils, transfert de chaleur, capteur de pression, thermochromique, microanalyseur de gaz

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