De bons échanges en procédés

Canaux de refroidissement coudés d’une pile à combustible, plus efficaces que des canaux rectilignes © R2C2, d'après B. Auvity

La Commission européenne veut réduire de 20 % la demande énergétique d’ici à 20201. Comme plus de 80 % des combustibles fossiles et plus de 40 % de la production d’électricité servent à chauffer, l’amélioration des systèmes de chauffage paraît cruciale pour parvenir à atteindre cet objectif. Ce progrès intéresse les industries parce que la part de l’énergie dans leurs coûts de production va croissant et que les économies d’énergie constituent désormais un argument de communication au même titre que la « qualité environnementale » des produits. Le secteur agroalimentaire est particulièrement concerné car il totalise 13 % de la consommation d’énergie en France.

Nos travaux visent principalement à intensifier les transferts de chaleur dans les procédés de fabrication, l’énergie nécessaire au chauffage ou au refroidissement requis étant alors réduite. Un tel transfert est d’autant plus efficace que la surface des parois de l’échangeur de chaleur est grande. Il est accéléré lorsque le fluide à chauffer ou qui sert à refroidir est brassé dans l’échangeur. Le brassage est même nécessaire lorsque ce fluide doit rester thermiquement homogène. Par exemple, dans le cas des produits (laitiers, notamment) qui doivent être stérilisés, il facilite l’obtention rapide d’une température suffisamment haute dans l’intégralité du fluide tout en évitant le recours à un chauffage fort qui serait coûteux et qui risquerait de dégrader le produit au contact de la paroi de l’échangeur.

Intégrer à l’échangeur un système de brassage mécanisé (à pales tournantes, par exemple) n’est pas toujours une solution adéquate, soit parce que cette opération est trop coûteuse en énergie, en matériel ou en encombrement, soit parce que créer des turbulences est néfaste à certains produits fragiles. Parfois, elle est même impossible physiquement, par exemple quand la section du conduit d’écoulement est petite ; tel est le cas des canaux de refroidissement à eau de piles à combustible. Ce problème se rencontre de plus en plus fréquemment avec la miniaturisation des appareils.

Un chaos bienfaiteur
Il y a une quinzaine d’années s’est développée une approche pouvant permettre de pallier l’absence de turbulences propices à l’échange thermique. Elle utilise le phénomène « d’advection chaotique » dans lequel les particules d’un fluide suivent des trajectoires chaotiques (très irrégulières) bien que l’écoulement demeure laminaire (non turbulent). Ce phénomène peut être généré au moyen d’un conduit de forme accidentée, par exemple avec des coudes successifs. Il permet alors de réaliser un brassage sans dépense d’énergie ni encombrement supplémentaire.

Notre travail consiste en partie à rechercher des formes d’échangeur qui génèrent une advection chaotique efficace. Il s’appuie sur des calculs et des essais expérimentaux dans lesquels sont mesurées, en plusieurs lieux du conduit, les vitesses d’écoulement et les températures du produit à chauffer. Dans l’un des cas que nous avons étudiés, le remplacement d’un échangeur classique par un « échangeur chaotique » a permis d’augmenter de 30 % le transfert de chaleur.

La sobriété par la minceur
Les procédés de façonnage de métaux (usinage à grande vitesse, forgeage, emboutissage à chaud, etc.) constituent un autre domaine dans lequel l’optimisation des échanges thermiques est très opportune. Dans l’industrie automobile, par exemple, on cherche à diminuer l’épaisseur de certaines pièces pour réduire la quantité de chaleur nécessaire au procédé ou pour alléger les véhicules, qui deviennent ainsi plus économes. Cette diminution requiert une connaissance fine des échanges thermiques dont la pièce fait l’objet. Grâce à un logiciel de simulation auquel sont fournies des valeurs de température collectées lors du façonnage, nous explorons les possibilités de réduction des pièces et d’adaptation du procédé industriel qui maximisent les gains énergétiques tout en laissant à ces pièces une résistance mécanique suffisante.