Nouvelle Approche des Convertisseurs Réactifs par Équipartition de la production d'Entropie – NACREE

NACREE part du constat que, de façon surprenante, il n’y a pas de méthodologies qui permettent de relier la connaissance de la création d’irréversibilités au design des appareil. Ce projet a pour ambition d’en proposer une. La méthodologie développée au cours du projet sera appliquée aux réacteurs à écoulement de type piston en régime laminaire. Un système d’échangeurs directs sera associé aux réacteurs. Nous appellerons par la suite Convertisseurs Réactifs (CR) l’ensemble constitué par le réacteur et les échangeurs associés. NACREE a pour but d’améliorer l’adéquation sources-usages en proposant une méthode de conception et d’intégration des CR basée sur la minimisation entropique. Plus exactement il s’agit de diminuer les irréversibilités (i.e. la production d’entropie) par une écriture adaptée des termes sources et d’assurer l’équipartition de ces termes le long du convertisseur. L’hypothèse du projet est que cette équipartition peut être en grande partie réalisée en rendant les paramètres géométriques de design du réacteur et des échangeurs variables dans l’espace, comme par exemple, pour un réacteur cylindrique, l’évolution du diamètre le long de l’axe. Pour ce projet, les gains potentiels de la diminution entropique seront basés sur l’étude de la modification des longueurs caractéristiques du réacteur, charge locale du catalyseur, points d’injection de réactifs, point d’injection et de soutirage des utilités. Ces modifications visent une triple réduction : celle des moyens de chauffage (ou de refroidissement), celle des moyens de pompage et des réactifs utilisés. La formulation de l’équipartition de l’entropie appliquée à un système réactif sera reformulée dans un premier temps afin de prendre en compte ces paramètres. Cette formulation sera intégrée à la modélisation du réacteur. Lors de la modélisation du réacteur, il est nécessaire d’avoir une connaissance fine des coefficients d’échanges locaux. Les géométries explorées (tant dans le réacteur que dans l’échangeur) n’étant ni constantes ni standards, NACREE nécessite le recours à la mécanique des fluides numérique pour calculer ces coefficients en 2D afin de prendre en compte l’impact des variations géométriques sur les écoulements. A partir de simulation CFD considérées comme expériences numériques, nous souhaitons établir un ensemble de corrélations empiriques permettant le calcul rapide des coefficients d’échanges. Ces corrélations seront utilisées dans le modèle du CR permettant un gain de temps significatif lors de la phase d’optimisation. Cette optimisation sera réalisée en utilisant une seule fonction « objectif « qui sera la création d’irréversibilité selon les paramètres géométriques étudiés. Cette fonction « objectif » sera la somme non pas des résultantes des irréversibilités du réacteur seul mais de l’ensemble des irréversibilités du CR. La méthode des surfaces de réponses sera utilisée comme méthode robuste et éprouvée d’optimisation car elle résulte en l’expression d’une fonction facile à optimiser. Un point clef de ce projet est la validation par l’expérience. Le recours à une expérience modèle et maîtrisée permettra de valider l’approche. Pour cela, le choix du consortium s’oriente vers une fabrication additive afin d’accéder à une réalisation précise des dimensions calculées. Enfin, afin de valider l’approche et de vérifier que les solutions proposées par l’optimisation soient réalistes, l’intégration énergétique des utilités sera réalisée sous la contrainte des géométries étudiées. Le but de cette intégration est double. Valider que l’équipartition fasse converger le système vers le Minimum d’Energie Requise et établir un nombre de contrainte qui pourront être utilisées dans le modèle pour contraindre les paramètres. Par ce projet nous souhaitons donc apporter les bases d’une méthodologie générale de design des réacteurs impliquant des transferts couplés afin d’obtenir des gains d’économie significatifs sur les énergies primaires et sur les réactifs.