PTR4 – Axe de recherche « Procédés Thermiques »

Les travaux menés au sein de l’axe Procédés Thermiques concernent la caractérisation et la modélisation à différentes échelles de phénomènes physiques et bio-chimiques couplés induits par des apports d’énergie. Il s’agit en particulier d’étudier des mécanismes physiques de transferts d’énergie, de matière et de quantité de mouvement aux interfaces et au sein de matériaux denses ou poreux, sièges de transformations physiques ou (bio)chimiques induites par des sollicitations thermiques et/ou électromagnétiques. Les enjeux sont la compréhension et la maîtrise des phénomènes couplés afin de bien appréhender les cinétiques et l’influence des apports d’énergie. La démarche scientifique mise en œuvre combine expérimentation et modélisation numérique à différentes échelles.

Les activités développées visent à l’amélioration de l’efficacité énergétique de procédés de transformation de matériaux. Les opérations telles que le séchage et la cuisson grandes consommatrices d’énergie et génératrices de nombreux rejets sont particulièrement étudiées. Ces études sont réalisées à l’échelle des matériaux et des procédés

Les compétences et les savoir-faire dans cet axe s’articulent autour de trois domaines d’activités complémentaires :

  1. la modélisation et la simulation numérique,
  2. la caractérisation
  3. la détermination de lois de comportement, l’instrumentation thermique et la conception de bancs d’essai.

L’expertise scientifique se situe donc dans la compréhension et la maîtrise des phénomènes couplés par des approches à différentes échelles, l’étude en usage et sous sollicitations extrêmes de matériaux, la conception, l’optimisation et le pilotage de procédés.

Les objectifs sont de répondre aux enjeux scientifiques et technologiques pour des procédés à température modérée (séchage, cuisson, congélation/refroidissement, méthanisation,…) ;

Applications :

  • Séchage/réticulation de polymère en base aqueuse par convection et infrarouge
  • Séchage de matériaux poreux : boue, béton de chanvre, etc
  • Cuisson, décongélation de produits
  • Méthanisation

Thème 1 : caractérisation et prédiction des cinétiques de transformation

Lors de la mise en œuvre ou de la transformation de matériaux apparaît souvent une phase de séchage (déshydratation) couplée à d’autres phénomènes (déformation, réactions physico-chimiques…).

Ces opérations sont bien souvent associées à un apport de chaleur par différents modes de transfert thermique (conduction directe, convection, rayonnement thermique) qu’il convient de maîtriser afin d’améliorer l’efficacité pour aboutir à un produit de qualité. Ainsi sur le volet modélisation/simulation numérique du comportement des matériaux, nous cherchons à apporter plus de connaissances aux modèles développés. Il s’agit en particulier de prendre en compte plus précisément les cinétiques réactionnelles (réticulation, hydratation…), les phénomènes de « croûtage » et de déformation (retrait, gonflement) qui ont un impact direct sur les mécanismes de transfert.

 

Thème 2 : optimisation des procédés

Parallèlement aux travaux du thème 1 se situant à l’échelle des matériaux, des études sont menées afin d'optimiser le dimensionnement et la commande des sources.

Du fait des fortes non-linéarités et des couplages existants, les modèles de « connaissance » développés nécessitent une discrétisation spatiale fine et une utilisation de pas de temps faibles.

Cependant, ces modèles s’avèrent inadaptés pour la recherche de paramètres opératoires optimaux ou le développement de loi de commande au niveau des procédés. Dès lors, le recours aux techniques inverses permet l’établissement de modèles simplifiés, les objectifs étant :

 

  • de disposer de modèles permettant de simuler « rapidement » la réponse des variables d’état (température, teneur en eau et pression par exemple dans le cas du séchage d’un milieu poreux)

Pilotes de séchage

 

  • de développer des méthodes d’estimation de propriétés à partir d’expérimentations

Simulation champ de température et déformation d’un produit céréalier (cuisson baguette)

Partenariats

  • ANR  –  BETONCHANVRE (2007/2011) ; partenariat : 3 laboratoires et 3 industriels ; coordination LIMATB/ET2E.
  • ANR  – « BRAISE : Boulangerie Raisonnée et Efficacité énergétique » (2009/2012) ; partenariat : 4 laboratoires, 2 industriels ; coordination : GEPEA Nantes ; labellisation pôles de compétitivité : VALORIAL, CAPENERGIE.
  • ANR  – NanoTX (2013/2015) ; partenariat : IMN Nantes, FIST, LIMATB ; coordination : IMN Nantes.

Thèses

  • Atika Zaknoune, Étude du comportement thermohydrique de matériaux « chanvre-chaux » lors de la phase de séchage - Estimation par technique inverse des propriétés hydriques, 2011
  • Vincent Nicolas, Modélisation multiphysique des transferts de masse et de chaleur dans un milieu poreux déformable non saturé : application à la cuisson du pain, 2012
  • Sylvain Louarn, Optimisation d’un procédé thermodynamique de séchage, 2013
  • Hala Yassine, Étude et amélioration de procédés de réfrigération de produits alimentaires, 2015